Страница 174 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

2. Напишите уравнения реакций кислорода с неметаллами, о которых говорится в параграфе. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Ниже приведены уравнения реакций кислорода с наиболее распространенными неметаллами и рассмотрены окислительно-восстановительные процессы, происходящие в этих реакциях.

Взаимодействие кислорода с углеродом

При сгорании углерода в избытке кислорода образуется оксид углерода(IV) (углекислый газ).

Уравнение реакции:$C + O_2 \rightarrow CO_2$

Рассмотрим окислительно-восстановительный процесс, определив степени окисления элементов:

$\stackrel{0}{C} + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow \stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O}_2$

Углерод повышает свою степень окисления с 0 до +4, отдавая 4 электрона. Он является восстановителем и подвергается процессу окисления.

Кислород понижает свою степень окисления с 0 до -2, принимая электроны. Он является окислителем и подвергается процессу восстановления.

Схема электронного баланса:

$C^0 - 4e^- \rightarrow C^{+4}$ | 1 (окисление, восстановитель)

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 (восстановление, окислитель)

Ответ: Уравнение реакции: $C + O_2 \rightarrow CO_2$. В этой реакции углерод является восстановителем, а кислород — окислителем.

Взаимодействие кислорода с серой

При горении серы образуется оксид серы(IV) (сернистый газ).

Уравнение реакции:$S + O_2 \rightarrow SO_2$

Рассмотрим степени окисления:

$\stackrel{0}{S} + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow \stackrel{+4}{S}\stackrel{-2}{O}_2$

Сера повышает степень окисления с 0 до +4, она является восстановителем (окисляется).

Кислород понижает степень окисления с 0 до -2, он является окислителем (восстанавливается).

Схема электронного баланса:

$S^0 - 4e^- \rightarrow S^{+4}$ | 1 (окисление, восстановитель)

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 (восстановление, окислитель)

Ответ: Уравнение реакции: $S + O_2 \rightarrow SO_2$. Сера — восстановитель, кислород — окислитель.

Взаимодействие кислорода с фосфором

При сгорании фосфора в избытке кислорода образуется оксид фосфора(V).

Уравнение реакции:$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

Рассмотрим степени окисления:

$4\stackrel{0}{P} + 5\stackrel{0}{O}_2 \rightarrow 2\stackrel{+5}{P}_2\stackrel{-2}{O}_5$

Фосфор повышает свою степень окисления с 0 до +5, отдавая электроны, и является восстановителем.

Кислород понижает свою степень окисления с 0 до -2, принимая электроны, и является окислителем.

Схема электронного баланса:

$P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5}$ | 4 (окисление, восстановитель)

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 5 (восстановление, окислитель)

Ответ: Уравнение реакции: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$. Фосфор — восстановитель, кислород — окислитель.

Взаимодействие кислорода с водородом

При горении водорода (реакция известна как "гремучий газ") образуется вода.

Уравнение реакции:$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Рассмотрим степени окисления:

$2\stackrel{0}{H}_2 + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow 2\stackrel{+1}{H}_2\stackrel{-2}{O}$

Водород повышает свою степень окисления с 0 до +1, являясь восстановителем.

Кислород понижает свою степень окисления с 0 до -2, являясь окислителем.

Схема электронного баланса:

$H_2^0 - 2e^- \rightarrow 2H^{+1}$ | 2 (окисление, восстановитель)

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 (восстановление, окислитель)

Ответ: Уравнение реакции: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. Водород — восстановитель, кислород — окислитель.

Взаимодействие кислорода с кремнием

При нагревании кремний сгорает в кислороде с образованием оксида кремния(IV).

Уравнение реакции:$Si + O_2 \rightarrow SiO_2$

Рассмотрим степени окисления:

$\stackrel{0}{Si} + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow \stackrel{+4}{Si}\stackrel{-2}{O}_2$

Кремний повышает степень окисления с 0 до +4, он является восстановителем.

Кислород понижает степень окисления с 0 до -2, он является окислителем.

Схема электронного баланса:

$Si^0 - 4e^- \rightarrow Si^{+4}$ | 1 (окисление, восстановитель)

$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 (восстановление, окислитель)

Ответ: Уравнение реакции: $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$. Кремний — восстановитель, кислород — окислитель.

3. Какие вещества называются катализаторами? Какая реакция, применяемая для получения кислорода, осуществляется в присутствии оксида марганца (IV)? Напишите уравнение этой реакции.

Какие вещества называются катализаторами?
Катализаторы — это химические вещества, которые участвуют в химической реакции и изменяют её скорость (как правило, ускоряют), но по окончании реакции остаются неизменными как количественно, так и химически. Механизм их действия заключается в снижении энергии активации реакции, что позволяет большему числу молекул реагентов вступить во взаимодействие за единицу времени.
Ответ: Катализаторы – это вещества, которые ускоряют химическую реакцию, но сами при этом не расходуются.

Какая реакция, применяемая для получения кислорода, осуществляется в присутствии оксида марганца (IV)? Напишите уравнение этой реакции.
Реакция, которую часто используют в лаборатории для получения кислорода с применением оксида марганца (IV) ($MnO_2$) в качестве катализатора, — это разложение пероксида водорода (перекиси водорода, $H_2O_2$). Также оксид марганца (IV) катализирует разложение хлората калия (бертолетовой соли, $KClO_3$) при нагревании.
Уравнение реакции разложения пероксида водорода:
$2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2 \uparrow$
Уравнение реакции разложения хлората калия:
$2KClO_3 \xrightarrow{t, MnO_2} 2KCl + 3O_2 \uparrow$
Ответ: В присутствии оксида марганца (IV) для получения кислорода проводят реакцию разложения пероксида водорода. Уравнение этой реакции: $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2 \uparrow$.

4. Английский химик Дж. Пристли получил кислород разложением оксида ртути (II). Напишите уравнение этой реакции. $2\text{HgO} \rightarrow 2\text{Hg} + \text{O}_2$ Придумайте и решите задачу, в условии которой были бы указаны масса исходного вещества и доля в нём примесей, а требовалось бы найти объём кислорода при известном выходе его от теоретически возможного.

Уравнение реакции разложения оксида ртути(II)

Английский химик Дж. Пристли получил кислород путем термического разложения оксида ртути(II). В ходе этой реакции из одного сложного вещества (оксида ртути) образуются два простых вещества — ртуть и кислород.

Уравнение реакции:

$2\text{HgO} \xrightarrow{t^\circ} 2\text{Hg} + \text{O}_2\uparrow$

Придуманная задача и ее решение

Условие: При термическом разложении 500 г технического оксида ртути(II), содержащего 8% инертных примесей, был получен кислород. Вычислите объем полученного кислорода (при нормальных условиях), если практический выход продукта реакции составляет 95% от теоретически возможного.

Дано:

$m(\text{техн. HgO}) = 500 \text{ г}$
$\omega(\text{примесей}) = 8\% = 0.08$
$\eta(\text{O}_2) = 95\% = 0.95$

Перевод в СИ:
$m(\text{техн. HgO}) = 0.5 \text{ кг}$

Найти:

$V_{\text{практ.}}(\text{O}_2) - ?$

Решение:

1. Рассчитаем массу чистого оксида ртути(II) в образце. Для этого сначала найдем массовую долю чистого вещества:

$\omega(\text{чист. HgO}) = 100\% - \omega(\text{примесей}) = 100\% - 8\% = 92\% = 0.92$

Теперь рассчитаем массу чистого HgO, которая может вступить в реакцию:

$m(\text{чист. HgO}) = m(\text{техн. HgO}) \times \omega(\text{чист. HgO}) = 500 \text{ г} \times 0.92 = 460 \text{ г}$

2. Рассчитаем молярную массу оксида ртути(II), используя данные из Периодической таблицы химических элементов:

$M(\text{HgO}) = M_r(\text{Hg}) + M_r(\text{O}) \approx 200.6 + 16.0 = 216.6 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (моль) чистого оксида ртути(II):

$n(\text{HgO}) = \frac{m(\text{чист. HgO})}{M(\text{HgO})} = \frac{460 \text{ г}}{216.6 \text{ г/моль}} \approx 2.1237 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции $2\text{HgO} \rightarrow 2\text{Hg} + \text{O}_2$ определим теоретическое количество вещества кислорода. Соотношение количеств реагента и продукта $n(\text{HgO}) : n(\text{O}_2)$ составляет $2:1$.

$n_{\text{теор.}}(\text{O}_2) = \frac{1}{2} n(\text{HgO}) = \frac{1}{2} \times 2.1237 \text{ моль} \approx 1.0619 \text{ моль}$

5. Рассчитаем теоретический объем кислорода при нормальных условиях (н.у.), где молярный объем газа $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$:

$V_{\text{теор.}}(\text{O}_2) = n_{\text{теор.}}(\text{O}_2) \times V_m = 1.0619 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} \approx 23.787 \text{ л}$

6. Найдем практический объем кислорода с учетом выхода реакции, который составляет 95%:

$V_{\text{практ.}}(\text{O}_2) = V_{\text{теор.}}(\text{O}_2) \times \eta(\text{O}_2) = 23.787 \text{ л} \times 0.95 \approx 22.6 \text{ л}$

Ответ: объем полученного кислорода составляет 22.6 л.

5. Укажите признаки сходства и различия в процессах дыхания и горения.

Признаки сходства

Процессы дыхания и горения являются по своей химической природе процессами окисления органических веществ.

• И для дыхания, и для горения необходим кислород ($O_2$).
• В обоих процессах исходными веществами служат органические соединения, которые окисляются.
• В результате обоих процессов выделяется энергия.
• Конечными продуктами реакции в обоих случаях являются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$).
• Суммарное уравнение реакции окисления глюкозы, основного источника энергии для живых организмов, идентично для обоих процессов: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия}$.

Ответ: Общими признаками дыхания и горения являются: окисление органических веществ, потребление кислорода, выделение энергии и образование углекислого газа и воды в качестве конечных продуктов.

Признаки различия

Несмотря на общую химическую суть, условия протекания и механизм этих процессов кардинально отличаются.

Ответ: Основные различия заключаются в скорости (горение – быстрое, дыхание – медленное), температуре (горение – высокая, дыхание – низкая), форме выделения энергии (горение – тепло и свет; дыхание – энергия АТФ и тепло), а также в обязательном участии ферментов и протекании процесса внутри живых клеток для дыхания.

6. Сравните процессы дыхания и фотосинтеза.

Дыхание и фотосинтез — это два ключевых, взаимосвязанных и во многом противоположных процесса, лежащих в основе жизнедеятельности большинства организмов на Земле. Несмотря на то что оба процесса протекают в клетках растений, они имеют фундаментальные различия.

Для наглядности сравним их по основным параметрам.

1. Назначение процесса (главная функция)

• Фотосинтез: Создание (синтез) органических веществ (глюкозы) из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии света. Эта энергия запасается в химических связях созданных молекул. Это процесс пластического обмена (анаболизм).

• Дыхание: Расщепление (окисление) органических веществ для высвобождения запасенной в них химической энергии и ее преобразования в форму, доступную для клетки (АТФ). Это процесс энергетического обмена (катаболизм).

2. Исходные вещества (реактанты)

• Фотосинтез: Углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$).

• Дыхание: Органические вещества (в первую очередь, глюкоза $C_6H_{12}O_6$) и кислород ($O_2$).

3. Конечные продукты

• Фотосинтез: Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) и кислород ($O_2$), который является побочным продуктом.

• Дыхание: Углекислый газ ($CO_2$), вода ($H_2O$) и энергия в виде АТФ.

4. Энергетический баланс

• Фотосинтез: Энергия поглощается. Световая энергия преобразуется в химическую энергию. Процесс эндотермический (требует затрат энергии извне).

• Дыхание: Энергия выделяется. Химическая энергия органических веществ преобразуется в энергию макроэргических связей АТФ. Процесс экзотермический (происходит с выделением энергии).

5. Место протекания в эукариотической клетке

• Фотосинтез: В хлоропластах, которые содержат зеленый пигмент хлорофилл, способный улавливать свет.

• Дыхание: Начальный этап (гликолиз) происходит в цитоплазме, а основные этапы, связанные с кислородом, — в митохондриях.

6. Условия протекания

• Фотосинтез: Обязательным условием является наличие света.

• Дыхание: Происходит непрерывно, круглосуточно, как на свету, так и в темноте.

7. В каких организмах происходит

• Фотосинтез: У фотоавтотрофов — организмов, способных к самостоятельному синтезу органических веществ (растения, водоросли, цианобактерии).

• Дыхание (аэробное): Практически у всех живых организмов, включая растения, животных, грибы и большинство бактерий.

8. Суммарное уравнение реакции

• Фотосинтез: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

• Дыхание: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{Энергия (АТФ)}$

Ответ:

Фотосинтез и дыхание — это противоположные по своей сути процессы. Если фотосинтез — это процесс создания органического вещества и запасания энергии с поглощением углекислого газа и выделением кислорода, то дыхание — это процесс расщепления органического вещества для получения энергии, сопровождающийся поглощением кислорода и выделением углекислого газа. Фотосинтез происходит только на свету в хлоропластах у автотрофов, в то время как дыхание идет непрерывно в митохондриях и цитоплазме практически всех живых клеток. Эти два процесса тесно связаны и обеспечивают круговорот веществ (углерода, кислорода) и энергии в биосфере.

7. Используя свои знания по химии кислорода, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или процесса».

Я – повсюду и нигде. Я невидим, без вкуса и запаха, но без меня умолкает сама жизнь. Мое имя – Кислород, и древние мудрецы, дав мне его, считали меня «рождающим кислоты». Они были почти правы, я – рождающий. Я рождаю энергию, рождаю пламя, рождаю ржавчину и, самое главное, – рождаю каждый ваш вдох.

Представьте меня как тихого странника. В виде двухатомной молекулы, $O_2$, я вхожу в ваши легкие. Там я встречаю своего верного спутника – гемоглобин, и мы вместе отправляемся в путешествие по вашему телу, к каждой, даже самой маленькой клетке. Я дарую им силу жить, окисляя питательные вещества в митохондриях, и этот тихий, невидимый огонь согревает вас изнутри. Я – дыхание жизни, спокойное и размеренное.

Но во мне живет и другая, буйная и яростная сущность. Дайте мне искру, и я покажу свою истинную мощь! Я обниму полено в камине, и оно вспыхнет ярким пламенем. Я соединюсь с углеродом в реакции $C + O_2 \rightarrow CO_2$ и высвобожу скрытую в нем энергию в виде света и тепла. Я – душа горения, неукротимый танец огня. Все, что горит, горит благодаря мне. Я могу быть созидателем, а могу и разрушителем, обращающим в пепел то, что еще мгновение назад было целостным.

Моя работа не всегда так стремительна. Иногда я действую медленно, как терпеливый художник. Я касаюсь железа, и оно покрывается рыжим бархатом ржавчины – это я создаю оксиды. Я прикасаюсь к срезу яблока, и оно темнеет. Это тоже моя работа – медленное окисление, безжалостный знак времени. В этой двойственности моя суть: я поддерживаю жизнь, но я же и являюсь причиной старения, медленного угасания.

Мало кто видел мое истинное лицо. Обычно я лишь бесцветный газ. Но если меня охладить до $-183°C$, я превращусь в нежно-голубую, подвижную жидкость, словно небо, заключенное в сосуд. А при еще большем холоде я застыну в виде светло-голубых кристаллов – хрупких и прекрасных. Эта красота скрыта от большинства, но она реальна.

У меня есть и беспокойный, энергичный родственник – Озон, $O_3$. Он состоит из трех моих атомов и обладает куда более резким нравом. Вы ощущаете его свежий, острый запах после грозы. Высоко в атмосфере он, как верный страж, образует щит, защищающий все живое от губительных ультрафиолетовых лучей Солнца. Но здесь, на Земле, он ядовит и опасен. Он – моя другая, нестабильная ипостась, напоминание о том, что даже у самого животворного элемента есть свои пределы и опасности.

Так кто же я? Я – парадокс. Тихий газ и ревущее пламя. Дыхание новорожденного и ржа на старом мече. Невидимый воздух и голубой кристалл. Я – основа жизни и вечный двигатель перемен на этой планете. Я – Кислород.

Ответ: Художественный образ кислорода строится на его фундаментальной двойственности. Он представлен как невидимая, но вездесущая сила, являющаяся одновременно тихим источником жизни через процесс дыхания и бурной, разрушительной стихией в процессах горения и медленного окисления. Его редкие агрегатные состояния (голубая жидкость и кристаллы) и его аллотропная модификация озон ($O_3$) дополняют образ, подчеркивая многогранность и мощь этого химического элемента.

8. Напишите уравнение реакции фтора с водой. В какой роли здесь выступает кислород? Рассмотрите окислительно-восстановительный процесс, определите окислитель и восстановитель.

Решение

Фтор ($F_2$) является самым электроотрицательным элементом и, как следствие, сильнейшим окислителем. При взаимодействии с водой ($H_2O$) происходит окислительно-восстановительная реакция, в которой фтор окисляет кислород, имеющий в воде степень окисления -2. Продуктами реакции являются плавиковая (фтороводородная) кислота ($HF$) и молекулярный кислород ($O_2$).

Уравнение реакции фтора с водой выглядит следующим образом:

$2F_2 + 2H_2O \rightarrow 4HF + O_2$

Чтобы рассмотреть окислительно-восстановительный процесс, определим степени окисления элементов до и после реакции:

$2\overset{0}{F_2} + 2H_2\overset{-2}{O} \rightarrow 4H\overset{+1}{\overset{-1}{F}} + \overset{0}{O_2}$

Изменения степеней окисления показывают, что фтор восстанавливается, а кислород окисляется. Составим электронный баланс:

$F_2^0 + 2e^- \rightarrow 2F^{-1}$ | 2 | процесс восстановления
$2O^{-2} - 4e^- \rightarrow O_2^0$ | 1 | процесс окисления

Вещество, которое принимает электроны и понижает свою степень окисления, является окислителем. В данной реакции это фтор ($F_2$).

Вещество, которое отдает электроны и повышает свою степень окисления, является восстановителем. В данной реакции это вода ($H_2O$), за счет атома кислорода. Следовательно, кислород выступает в роли восстановителя.

Ответ: Уравнение реакции: $2F_2 + 2H_2O \rightarrow 4HF + O_2$. В этой реакции кислород (входящий в состав молекулы воды) выступает в роли восстановителя, так как его степень окисления повышается с -2 до 0. Окислителем является фтор ($F_2$), а восстановителем — вода ($H_2O$).