Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Cм. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2, 7, 11, 18, 19, 21/2008;
1/2009

ЗАНЯТИЕ 28

10-й класс (первый год обучения)

Водород. Пероксид водорода

П л а н

1. Положение кислорода в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Происхождение названия.

3. Аллотропия кислорода.

4. Кислород (дикислород): физические и химические свойства, получение, значение.

5. Озон (трикислород): физические и химические свойства, нахождение в природе, получение и значение.

6. Вода: строение молекулы, физические и химические свойства, аномалии воды.

Кислород находится в главной подгруппе VI группы периодической системы. Он относится к халькогенам («образующие руды»). Электронная формула атома кислорода 1s²2s²p⁴, это р-элемент. Кислород является наиболее электроотрицательным элементом после фтора и проявляет высокую окислительную способность. Кислород проявляет постоянную валентность, равную двум (на втором энергетическом уровне отсутствует d-подуровень, поэтому невозможен переход атома кислорода в возбужденное состояние). Устойчивая степень окисления кислорода в соединениях –2, редко возможны степени окисления +2 (оксид фтора) и –1 (пероксиды), например:

Природный кислород cостоит из трех изотопов: ¹⁶О (основная часть), ¹⁷О и ¹⁸О (незначительные примеси). Кислород проявляет типичные неметаллические свойства, образует соединения со всеми элементами, кроме гелия, неона и аргона.

Название кислороду дал А.Лавуазье, изучавший его свойства. Поскольку кислород входит в состав кислот, он назвал его oxygene, т.е. «образующий кислоты» (от греч. oxys – кислый, gennao – рождаю). Отсюда и русское «кислород», хотя это название не совсем точно отражает действительность, поскольку известны бескислородные кислоты.

Кислород образует две аллотропные модификации: дикислород (кислород О₂) и трикислород (озон О₃).

К и с л о р о д

Простое вещество кислород является устойчивой аллотропной модификацией этого элемента. Это газ без цвета, вкуса и запаха. Тяжелее воздуха, в воде мало растворим. Связь в молекуле ковалентная, неполярная, двухцентровая. Жидкий кислород голубого цвета, твердый – синего. Кислород обладает магнитными свойствами – жидкий кислород притягивается магнитом. Газообразный кислород поддерживает горение и дыхание. Простейшая качественная реакция – вспыхивание тлеющей лучинки в атмосфере кислорода. Он является составной частью воздуха (20,9 % по объему или 23,2 % по массе). Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов горения, гниения и дыхания компенсируется за счет фотосинтеза. При вдыхании воздуха в легкие человека и животных кислород связывается с гемоглобином крови и переносится в клетки. Там происходит окисление органических веществ кислородом; этот процесс обеспечивает организм жизненной энергией. Кислород как химический элемент входит в состав различных природных соединений (вода, минеральные соли).

Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме легких инертных газов. Практически со всеми простыми веществами (кроме фтора, хлора, золота и платиновых металлов) кислород реагирует непосредственно. Реакции кислорода с галогенами возможны, но требуют особых условий (электрический разряд, очень высокие температуры) и проходят с низким выходом. Реакционная способность кислорода резко возрастает при повышении температуры. Во всех реакциях кислород играет роль окислителя.

H₂ (+):

2H₂ + O₂ 2H₂O.

O₂ (+):

Металлы (+/–)*:

4Li + O₂ = 2Li₂O,

2Na + O₂ = Na₂O₂,

2Cu + O₂ 2CuO,

Au, Pt не взаимодействуют.

Неметаллы (+/–):

S + O₂ SO₂,

с галогенами напрямую не взаимодействует.

Н₂О (–).

Основные оксиды (+/–):

4FeO + O₂ 2Fe₂O₃,

2Na₂O + O₂ 2Na₂O₂,

CuO + O₂ реакция не идет.

Кислотные оксиды (+/–):

2SO₂ + O₂ 2SO₃,

SO₃ + O₂ реакция не идет.

Основания (–).

Кислоты (–).

Соли (+/–):

4FeS₂ + 11O₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂,

NaNO₃ + O₂ реакция не идет.

Основные способы получения кислорода.

• Ректификация воздуха (фракционная перегонка) – метод основан на разнице температур кипения азота и кислорода. При нагревании жидкого воздуха первым переходит в газообразное состояние азот (t_кип. = –196 °С); оставшаяся жидкость представляет собой в основном кислород (t_кип. = –183 °С).

• Электролиз водных растворов щелочей или кислородсодержащих солей:

2H₂O 2H₂ + O₂,

2CuSO₄ + 2H₂O 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄.

• Разложение пероксидов щелочных металлов (используется для регенерации воздуха в замкнутых помещениях):

2K₂O₂ + 2CO₂ = 2K₂CO₃ + O₂.

• Термическое разложение кислородсодержащих веществ:

2KMnO₄ K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂,

2NaNO₃ 2NaNO₂ + O₂,

2HgO 2Hg + O₂,

2KClO₃ 2KCl + 3O₂,

2H₂O₂ 2H₂O + O₂,

2BaO₂ 2BaO + O₂.

 

О з о н

Вторая аллотропная модификация кислорода – озон (О₃). Это неустойчивая аллотропная форма. При нормальных условиях (н.у.) озон – светло-синий газ с характерным запахом «послегрозовой свежести», тяжелее воздуха, токсичен. Жидкий озон имеет фиолетовый цвет, твердый – черную окраску. Молекула озона полярна (единственный пример полярной молекулы простого вещества), имеет строение незавершенного треугольника:

Озон малорастворим в воде, но его растворимость значительно выше, чем растворимость в воде кислорода. Он существует в верхних слоях атмосферы, образуя «озоновый слой», защищающий планету от губительных УФ-лучей. Разлагается под действием УФ-излучения, катализаторов и оксидов азота. Устойчив в смеси с кислородом (озонированный кислород). Отделить озон от кислорода можно сильным охлаждением их смеси (озон сжижается раньше). Озон является сильным окислителем, занимая промежуточное положение между атомарным и молекулярным кислородом. Из трех атомов кислорода в озоне роль окислителя выполняет чаще всего только один, поэтому одним из продуктов реакции обычно является молекулярный кислород, например:

PbS + 2O₃ = PbSO₄ + O₂,

NH₃ + 3O₃ = HNO₂ + 3O₂ + H₂O,

2Ag + O₃ = Ag₂O + О₂,

2KI + O₃ + H₂O = I₂ + 2KOH + O₂
(качественная реакция),

K + O₃ = KO₃,

2NO + O₃ = N₂O₅.

В природных условиях озон образуется при грозовых разрядах в атмосфере, а также вырабатывается смолой хвойных деревьев. В лабораторных условиях озон получают с помощью специальных приборов – озонаторов.

Применяется для дезинфекции питьевой воды, для отбеливания тканей, а также как реагент в химическом синтезе.

В о д а

Вода, или оксид водорода (H₂O), – важнейший из природных оксидов, самое распространенное на Земле вещество, единственное, встречающееся в природе сразу в трех агрегатных состояниях. Вода – основа жизни, и ее роль для жизнедеятельности живых организмов трудно переоценить. Чистой воды в природе не существует, ее получают перегонкой, и такая вода, очищенная от примесей, называется дистиллированной.

По своему строению молекула воды представляет собой диполь, где на атоме кислорода сконцентрирован частичный отрицательный заряд, а на атомах водорода – частичный положительный:

Различными физико-химическими методами исследований установлено наличие между молекулами воды особого типа связей – водородных. Этот факт объясняет многие аномалии воды (плотность льда меньше, чем плотность воды в жидком состоянии; слишком высокие для веществ с подобной молярной массой температуры плавления и кипения).

Плотность воды при 4 °С принимается равной 1 г/мл, поэтому для воды объем (в мл) равен массе (в г).

В химическом отношении вода является очень реакционноспособным веществом:

H₂ (–).

O₂ (–).

Металлы (+/–):

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂,

Ca + 2H₂O = Сa(OH)₂ + H₂,

Cu + H₂O реакция не идет.

Неметаллы (+/–):

C + H₂O (пар) СО + Н₂,

Cl₂ + H₂O HCl + НClO,

S + H₂O реакция не идет,

N₂ + H₂O реакция не идет.

Н₂О (–).

Основные оксиды (+/–):

Na₂O + H₂O = 2NaOH,

CuO + H₂O реакция не идет.

Кислотные оксиды (+/–):

SO₃ + H₂O = H₂SO₄,

CO₂ + H₂O H₂CO₃,

SiO₂ + H₂O реакция не идет.

Основания (–).

Кислоты (–).

Соли (+/–):

Na₂CO₃ + 2HOH 2NaOH + H₂O + СO₂,

CuCl₂ + 2HOH Cu(OH)₂ + 2HCl,

Al₂S₃ + 6HOH 2Al(OH)₃ + 3H₂S,

NaCl + HOH не гидролизуется.

Вода является слабым электролитом, не проявляет выраженных кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств, но обладает уникальной способностью вызывать распад веществ на ионы – диссоциацию.

Тест по теме «Кислород. Озон. Вода»

1. Какое из перечисленных соединений позволяет получить больший объем кислорода при прокаливании равных количеств каждого из них?

а) Бертолетова соль;

б) марганцовка;

в) калийная селитра;

г) выделяются равные объемы кислорода.

2. С какими металлами кислород непосредственно не взаимодействует?

а) Золото; б) серебро;

в) платина; г) медь.

3. Качественным реагентом для обнаружения озона является:

а) нитрат калия; б) йодид калия;

в) хлорид калия; г) гидрид калия.

4. Ион кислорода О^2– содержит следующее число протонов и электронов:

а) 8р, 8е; б) 6р, 8е;

в) 8р, 10е; г) 10р, 8е.

5. В молекуле воды атомы связаны связью:

а) ковалентной неполярной;

б) ковалентной полярной;

в) ионной;

г) водородной.

6. Рассчитайте объем кислорода и объем воздуха (в л), необходимые для сжигания 100 л природного газа, содержащего 80% метана. Содержание О₂ в воздухе считать равным 21%.

а) 160; б) 762; в) 200; г) 100.

7. Выберите свойства, характеризующие озон.

а) Бесцветный; б) токсичный;

в) хороший окислитель; г) не имеет запаха.

8. Выберите свойства, характеризующие молекулярный кислород.

а) Бесцветный; б) токсичный;

в) хороший окислитель; г) не имеет запаха.

9. Кислород можно получить электролизом:

а) раствора едкого натра;

б) раствора серной кислоты;

в) раствора хлорида натрия;

г) раствора сульфата натрия.

10. Число неспаренных электронов на внешнем уровне атома кислорода равно:

а) 6; б) 4; в) 0; г) 2.

Ключ к тесту

 

Задачи и упражнения на водород, кислород и их соединения

Ц е п о ч к и  п р е в р а щ е н и й

1. Водород —> гидрид натрия —> водород —> сероводород —> вода —> фосфин —> водород.

2. Перманганат калия —> кислород —> вода —> кислород —> озон —> гидроксид калия —> карбонат калия —> гидрокарбонат калия —> углекислый газ.

 

1. При взрыве смеси хлора с водородом образовался хлороводород, занимающий при нормальных условиях (н.у.) объем 0,08 м³. Найдите объемы газов, вступивших в реакцию.

Ответ. По 0,04 м³.

2. Плотность смеси хлора с водородом при давлении 0,2 атм и температуре 27 °С равна 0,0894 г/л. Хлороводород, полученный при взрыве 100 л (н.у.) такой смеси, растворили в 500 г 10%-го раствора соляной кислоты. Найдите массовую долю кислоты в полученном растворе.

Ответ. 17%.

3. Найдите массовые доли газов в смеси кислорода и озона, если объемные доли компонентов смеси равны между собой. Какова относительная плотность такой смеси по воздуху?

Ответ. 40% и 60%; 1,38.

4. Воздух, находящийся в сосуде под давлением 100 кПа и температуре 27 °С, содержит 5,11 л кислорода, 19,57 л азота, 1,25 л углекислого газа и 1,25 л аргона. Определите, сколько атомов кислорода содержится в сосуде.

Ответ. 3,07•10²³.

5. Плотность смеси озона и кислорода по гелию равна 10. Рассчитайте объемные доли газов в этой смеси.

Ответ. По 50%.

6. Одно из кислородных соединений водорода содержит 94,12% кислорода. Установите формулу соединения.

Ответ. Пероксид водорода H₂O₂.

7. При полном разложении нитрата щелочного металла масса выделившегося кислорода составила 8,2% от исходной массы нитрата. Установите формулу нитрата.

Ответ. Нитрат цезия CsNO₃.

1. Плотность смеси хлора с водородом (н.у.) равна 0,25 г/л. Хлороводород, полученный при взрыве 10 г такой смеси, пропустили через 10%-й раствор соляной кислоты и получили ее 20%-й раствор. Найдите массу полученного раствора.

Ответ. 61,1 г.

2. После нагревания 22,12 г перманганата калия образовалось 21,16 г твердой смеси. Какой максимальный объем хлора можно получить при действии на образовавшуюся смесь 36,5%-м раствором соляной кислоты (плотность 1,18 г/мл)? Какой объем раствора кислоты при этом израсходуется?

Ответ. 6,496 л Cl₂; 84,75 мл HCl.

3. В процессе синтеза триоксида серы из сернистого газа и кислорода в замкнутом сосуде давление в реакционной смеси упало на 20% (при постоянной температуре). Определите состав образовавшейся газовой смеси (в % по объему), если в исходной смеси содержалось 50% диоксида серы по объему.

Решение

Уравнение реакции:

2SO₂ + O₂ 2SO₃.

Пусть в исходной смеси было 1 моль SO₂ (50%) и 1 моль O₂ (50%).

Пусть прореагировало х моль O₂, тогда по уравнению реакции (SO₂) = 2 х моль, (SO₃) = 2 х моль.

По условию давление в смеси уменьшилось на 20%, следовательно, суммарное количество вещества образовавшейся смеси также уменьшилось на 20%.

Тогда

(обр. смеси) = (исх. смеси) – ((исх. смеси)•0,2) = 2 – 0,4 = 1,6 моль.

Полученная смесь состоит из образовавшегося SO₃, остатка SO₂ и остатка O₂:

1,6 = 2x + (1 – 2х) + (1 – х),

х = 0,4 моль.

Тогда в образовавшейся смеси:

(SO₃) = 2x = 0,8 моль,

(SO₃) = 0,8/1,6 = 0,5, или 50%;

(SO₂) = 1 – 2x = 0,2 моль,

(SO₂) = 0,2/1,6 = 0,125, или 12,5%;

(O₂) = 1 – x = 0,6 моль,

(O₂) = 0,6/1,6 = 0,375, или 37,5%.

Ответ. 50% SO₃; 12,5% SO₂; 37,5% О₂.

4. Определите объем озонированного кислорода, массовая доля озона в котором составляет 5%, необходимого для сжигания 1,68 л бутена (н.у.).

Ответ. 9,912 л.

5. 33,8 г пероксида бария обработали раствором серной кислоты, осадок отфильтровали и фильтрат (его оказалось 20 г) оставили на свету. Через некоторое время к 10 г фильтрата добавили раствор йодида калия, в результате выделилось 2,54 г йода. Определите, как изменилась концентрация вещества в фильтрате.

Ответ. Уменьшилась в 10 раз.

 

К а ч е с т в е н н ы е  з а д а ч и

1. Бесцветный газ А с резким запахом хорошо растворяется в воде. При взаимодействии водного раствора этого газа с цинком выделяется горючий газ В, который при пропускании над твердым веществом С черного цвета превращает его в простое вещество красного цвета. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – HCl; B – H₂; С – CuO.

2. Твердое кристаллическое соединение, состоящее из одновалентного металла и одновалентного неметалла, энергично реагирует с водой и водными растворами кислот с выделением водорода. При взаимодействии с водой 2,4 г этого вещества выделился водород объемом 2630 мл (измерено при 37 °С и 98 кПа), а раствор приобрел щелочную реакцию. Определите состав вещества и напишите уравнения его реакций с водой, соляной кислотой и хлором.

Ответ. NaH.

3. Для качественного обнаружения озона газ пропускают через водный раствор йодида калия. Запишите уравнение этой реакции.

Ответ. 6KI + 3H₂O + O₃ = 6KOH + 3I₂.

4. Простое неустойчивое газообразное вещество А превращается в другое простое вещество В, в атмосфере последнего сгорает металл С. Продуктом этой реакции является оксид, в котором металл находится в двух степенях окисления. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – O₃; В – O₂; С – Fe; оксид – F₃O₄.

5. Кристаллическое вещество А темно-фиолетового цвета при нагревании разлагается с образованием простого газообразного вещества В, в атмосфере которого сгорает простое вещество С, образуя бесцветный газ без запаха, входящий в небольших количествах в состав воздуха. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – KMnO₄; В – O₂; С – С.

---

* Знак +/– означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует