Тема 2 Кисень
Взаємодія кисню зі складними речовинами. У § 18 ви ознайомилися з властивістю кисню реагувати з простими речовинами. А чи взаємодіє кисень зі складними речовинами? Відповіді на це запитання допоможе знайти демонстраційний дослід.
Запаліть природний газ, що використовується як побутове паливо. До його складу входить в основному газ метан СH4. Hа повітрі він горить блакитним полум’ям.
– Пригадайте, які продукти утворюються після згоряння і як перевірити це експериментально.
Рівняння реакції горіння метану має такий вигляд:
– Поясніть, які ще явища, крім утворення оксидів, спостерігаються під час згоряння метану.
Повне окиснення глюкози С6Н12О6 (або горіння) відбувається з утворенням кінцевих продуктів карбон(ІV) оксиду та води. Схема реакції:
Знайдіть коефіцієнти й перетворіть схему на рівняння реакції.
У всіх попередніх випадках розглядалося горіння органічних речовин. Однак у реакції горіння можуть вступати й складні неорганічні сполуки. Наприклад, водень (проста речовина, утворена атомами Гідрогену) із сіркою утворює складну речовину гідроген сульфід H2S.
Кисень має здатність повністю окислювати гідроген сульфід з утворенням оксидів тих елементів, що входять до його складу.
– Напишіть самостійно рівняння реакції горіння гідроген сульфіду.
Реакції повільного окиснення та горіння простих і складних речовин мають велике практичне значення для людини. За їх участю добувають оксиди, що можуть бути як сировиною для промисловості, так і виконувати функції каталізаторів у виробничих процесах. З цими реакціями пов’язаний процес дихання. Людський організм використовує глюкозу та інші органічні речовини як джерело енергії, яка вивільняється від їх окиснення. Під час повільного окиснення (гниття решток рослин) виділяється теплота, яку використовують у теплицях для вирощування овочів.
Електричну енергію, що забезпечує населення світлом, добувають перетворенням теплової енергії. У побуті реакцію горіння використовують для приготування їжі, а горіння сухого пального, дров — у туристичних походах (рис. 70). До речі, під час виконання лабораторних дослідів і практичних робіт реакції горіння застосовують для нагрівання речовин до температур перебігу хімічних реакцій.
– Пошукайте більше інформації про практичне значення реакцій горіння та повільного окиснення.
Умови виникнення та припинення горіння. Як ви вже переконалися, для виникнення горіння потрібно виконати дві умови:
1) нагріти речовину до температури її займання;
2) забезпечити постійний доступ повітря або кисню.
Температури займання для різних речовин с неоднаковими. Досить низькою температурою займання характеризується білий фосфор, вона становить 40 °С. Для сірки й вуглецю — відповідно 270 °С і 350 °С.
Для припинення горіння необхідно ліквідувати ці умови: охолодити речовину, що горить, нижче температури її займання та припинити доступ повітря.
– Запропонуйте способи охолодження горючих речовин (предметів) і перекриття доступу повітря (кисню) до них.
З метою збереження життя та здоров’я потрібно знати, що реакції горіння в разі невмілого ними керування можуть завдавати людині шкоди.
Під час повільного окиснення відбувається псування деталей машин (ржавіння), що може призвести до аварій. На великих підприємствах одяг, просякнутий мастилами й скинутий купою, може самозайнятися й спричинити пожежу. Аналогічно самозаймання відбувається на зерносховищах, якщо насіння недостатньо просушене.
Необхідно пам’ятати, що змішування метану з киснем у співвідношенні 1 : 2 є вибухонебезпечним.
– Запропонуйте заходи щодо усунення небезпеки вибуху природного газу в побуті.
• Кисень — речовина, що легко вступає в хімічні реакції не тільки з простими, а й зі складними органічними та неорганічними речовинами. Продуктами реакцій горіння складних речовин є оксиди.
• Під час горіння складних речовин кожний елемент, що входить до їх складу, окиснюється.
• Реакції горіння, повільного окиснення мають велике практичне значення в промисловості, сільському господарстві, побуті та в життєдіяльності організмів. Однак неправильне поводження з ними може спричинити виникнення пожеж, нещасні випадки.
• Умовами виникнення горіння є нагрівання речовини до температури її займання та забезпечення постійного доступу кисню або повітря. Для припинення горіння ці умови потрібно ліквідувати.
ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ
1. Напишіть формули простих і складних речовин, що вступають в реакції горіння. Назвіть реагенти й речовини, що утворюються.
2. Допишіть продукти реакцій, де це потрібно, і перетворіть схеми на відповідні рівняння реакцій:
3. Поясніть, чим відрізняється горіння речовин у чистому кисні від горіння на повітрі.
4. Поставте коефіцієнти в схемах реакцій:
5. Поясніть, за яких умов виникає горіння речовин. Наведіть приклади припинення горіння без шкоди для здоров’я.
6. Допишіть продукти реакцій, де це потрібно. Перетворіть схеми на рівняння, поставивши коефіцієнти:
7. Під час згоряння фосфору масою 124 г утворився фосфор(V) оксид масою 284 г. Обчисліть, яка маса кисню вступила в реакцію.
8. Поясніть, чому в холодну пору року під час приготування їжі віконне скло вкривається крапельками води. Де в природі зустрічається таке явище?
9. Обчисліть, яка маса оксиду тривалентного металічного елемента утвориться, якщо в реакцію з киснем масою 96 г вступив метал масою 108 г. Запишіть загальну формулу цього оксиду.
10. Обґрунтуйте, як експериментально довести, що під час горіння природного газу метану утворюється вуглекислий газ і водяна пара. Напишіть рівняння реакції.
1. Закріпіть невелику свічку на підставці й запаліть ґніт. Накрийте її склянкою та спостерігайте за процесом горіння. Які зміни відбуваються? Зробіть відповідні висновки.
2. Ще раз запаліть ґніт свічки. Накрийте її скляною банкою об’ємом 1 л та спостерігайте за процесом горіння. Які зміни відбуваються? Зробіть відповідні висновки, порівнявши з попереднім дослідом.
Добування кисню з гідроген пероксиду, збирання, доведення його наявності
– Пригадайте правила поводження з лабораторним штативом, нагрівним приладом, правила його запалювання.
Приготуйте все необхідне для виконання практичної роботи. Складіть прилад з пробірки, корка, газовідвідної трубки, як показано па рисунку 61.
Завдання 1. Налийте в пробірку розчин гідроген пероксиду об’ємом 2-2,5 мл. Додайте невелику порцію манган(ІV) оксиду, дуже швидко й щільно закрийте пробірку корком з газовідвідною трубкою. Укріпіть пробірку в лапці штатива, а кінець трубки опустіть па дно пробірки- приймача (склянки).
Завдання 2. Зберіть кисень витісненням повітря (рис. 71) або витісненням води.
– Пригадайте, на якій властивості кисню ґрунтуються такі способи збирання кисню.
Завдання 3. Випробуйте тліючою скіпкою наявність кисню в пробірці-приймачі. Якщо скіпка спалахує зразу ж, коли її піднести до краю пробірки, то вона наповнена киснем. Накрийте пробірку скляною пластинкою та припиніть нагрівання.
Рис. 71. Збирання кисню витісненням повітря
Опишіть ваші спостереження. Складіть рівняння реакції. Зробіть висновок.
§ 18. Хімічні властивості кисню
Описати хімічні властивості речовини означає описати її здатність вступати в різні хімічні реакції. Розглянемо хімічні властивості кисню.
Кисень — одна з найактивніших речовин. Із простих речовин за активністю він поступається лише фтору. Ще з курсу природознавства ви знаєте, що кисень підтримує дихання і горіння. У чистому кисні яскраво спалахує тліюча скіпка і можуть займатися деякі речовини, такі як бензин, спирт, мастило.
При взаємодії речовин з киснем утворюються оксиди. Такі реакції називають окисненням.
Взаємодія кисню з простими речовинами
Більшість реакцій взаємодії з киснем відбуваються бурхливо, із виділенням великої кількості теплоти і світла. Зазвичай ми називаємо такі реакції горінням.
Швидкий процес окиснення речовини, що супроводжується виділенням великої кількості теплоти і, здебільшого, світла, називають горінням.
Розжаримо в полум’ї спиртівки шматочок деревного вугілля до почервоніння та внесемо до посудини з киснем. Вугілля продовжує горіти, не утворюючи полум’я, але набагато яскравіше, ніж у повітрі (мал. 99а). Продуктом згоряння вугілля є карбон(ІV) оксид — вуглекислий газ:
Помістимо в сталеву ложечку для спалювання невеликий шматочок сірки й нагріватимемо на спиртівці. Сірка спочатку плавиться, а потім спалахує тьмяним синім полум’ям. У разі внесення ложечки до посудини з киснем полум’я стає набагато яскравішим (мал. 99б). Унаслідок згоряння сірки утворюється задушливий сульфур(ІV) оксид — сірчистий газ:
Аналогічно вчинимо з фосфором. Фосфор на повітрі горить відносно активно, але без полум’я, утворюючи густі клуби білого задушливого диму. У чистому кисні фосфор згоряє сліпучо-білим полум’ям (мал. 99в). Дим, що виділяється під час згоряння фосфору, складається з найдрібніших частинок твердого фосфор(V) оксиду:
Кисень дуже активно взаємодіє з багатьма речовинами. Причому, чим вищий уміст кисню в суміші газів, тим активніше відбувається горіння. За звичайних умов залізо в повітрі не горить, але в атмосфері чистого кисню воно активно взаємодіє з киснем. Якщо сильно нагріти кінчик тонкого залізного дроту й опустити його в посудину з киснем, то залізо займеться, розкидаючи яскраві іскри — частинки розжареного ферум(ІІІ) оксиду (мал. 99г):
Мал. 99. Горіння різних речовин у кисні: а — вугілля; б — сірки; в — фосфору; г — заліза
Деякі метали взаємодіють з киснем набагато активніше, наприклад, магній. Якщо підпалити магнієву стрічку в повітрі, то відбудеться реакція з утворенням білого порошку магній оксиду з виділенням великої кількості енергії у вигляді світла (мал. 100):
Мал. 100. Горіння магнієвої стрічки
Менш активні метали взаємодіють з киснем не так бурхливо, тобто вони не здатні горіти. Наприклад, мідь і ртуть взаємодіють з киснем лише при сильному нагріванні. Так, при нагріванні в полум’ї пальника міді — металу червоного кольору — утворюється купрум(ІІ) оксид чорного кольору:
Є деякі метали, наприклад, золото або платина, які взагалі не взаємодіють з киснем.
Зверніть увагу на рівняння реакцій взаємодії простих речовин із киснем. У всіх цих рівняннях у лівій частині записані формули двох речовин, а в правій частині — однієї речовини. Тобто в процесі реакції з двох речовин утворюється одна. Такі реакції називають реакціями сполучення.
Реакції, у яких із двох простих або складних речовин утворюється одна речовина, називають реакціями сполучення.
У загальному вигляді рівняння реакції сполучення можна записати в такий спосіб:
Взаємодія кисню зі складними речовинами
Велика кількість складних речовин також здатна горіти в кисні. Під час горіння складної речовини утворюються оксиди всіх елементів, з яких складається ця речовина. Наприклад, у результаті горіння метану СН4 утворюються два оксиди: карбон(ІV) оксид і гідроген оксид (мал. 101):
Мал. 101. Горіння метану на нафтовидобувній платформі
Сірководень H2S — газ із запахом тухлих яєць — згоряє в кисні також з утворенням двох оксидів: сульфур(ІV) оксиду та гідроген оксиду:
За певних умов із киснем може взаємодіяти глюкоза С6Н12O6 — це цукор, що міститься у винограді й у деяких інших плодах. У цій реакції також утворюється суміш оксидів:
Наведені реакції не відображають усього різноманіття хімічних властивостей кисню, ми розглянули лише найважливіші з них. Із багатьма властивостями ви ознайомитеся надалі.
Дізнайтеся більше
Із киснем можуть взаємодіяти також деякі оксиди. Елементи зі змінною валентністю здатні утворювати декілька оксидів. У цьому випадку оксид із нижчою валентністю елемента може взаємодіяти з киснем з утворенням оксиду з вищою валентністю. Наприклад, Карбон здатний утворювати карбон(ІІ) оксид і карбон(ІV) оксид. У цьому випадку чадний газ СО здатний взаємодіяти з киснем з утворенням вуглекислого газу СO2:
Аналогічно нітроген(ІІ) оксид може взаємодіяти з киснем з утворенням нітроген(ІV) оксиду:
Нітроген(ІV) оксид під час утворення виділяється у вигляді густого бурого газу, що нагадує хвіст лисиці, тому його іноді називають «лисячий хвіст»
1. Кисень — хімічно активна речовина. Кисень взаємодіє майже зі всіма простими речовинами (металами й неметалами) і з великою кількістю складних речовин. Багато речовин взаємодіють з киснем з утворенням полум’я, тобто горить.
2. Взаємодії простих речовин із киснем є реакціями сполучення, оскільки в реакції з кількох речовин утворюється одна. Взаємодію речовин із киснем називають реакцією окиснення.
3. При взаємодії простої речовини з киснем утворюється один оксид, а при взаємодії складних — кілька оксидів.
Контрольні запитання
1. Охарактеризуйте хімічні властивості кисню.
3. Які реакції є реакціями окиснення?
4. Які реакції називають реакціями сполучення?
Завдання для засвоєння матеріалу
2. Складіть рівняння реакцій горіння таких речовин: а) алюмінію; б) силіцію; в) срібла.
3. Складіть рівняння реакцій добування оксидів Кальцію, Літію та Гідрогену з простих речовин.
4. Унаслідок взаємодії кисню масою 13,5 г із сіркою утворився сульфур(ІV) оксид SO2 масою 27 г. Яка маса сірки згоріла під час реакції?
5. У результаті згоряння сірковуглецю CS2 витрачено кисень масою 24 г і утворилися карбон(ІV) оксид масою 11 г і сульфур(ІV) оксид масою 32 г. Складіть рівняння цієї реакції та обчисліть масу сірковуглецю, що згорів.
6. У складі бензину містяться Карбон і Гідроген. Які оксиди утворюються під час роботи автомобільного двигуна?
7. Унаслідок горіння невідомої речовини утворилися сульфур(ІV) оксид і вода. З яких елементів могла складатися ця речовина?
8. У результаті горіння невідомої речовини утворилися карбон(ІV) оксид, вода й азот. З яких елементів могла складатися ця речовина?
9. У який спосіб можна довести, що при згорянні метану утворюється вуглекислий газ?
10 * . Як ви вважаєте, чому під час горіння деяких речовин, наприклад, вугілля, не утворюється полум’я?
• Під час пожежі в закритому приміщенні утворюється карбон(ІІ) оксид — чадний газ, який спричиняє тяжкі отруєння. Щоб уникнути небезпеки, необхідно подбати про доступ свіжого повітря. Відбудеться доокиснення, унаслідок якого чадний газ СО перетвориться на вуглекислий газ СO2.
• Реакцію горіння магнію раніше фотографи використовували для створення світлового спалаху при фотографуванні.