Уравнение химической реакции воды и кислорода

Кислород: химия кислорода

Кислород

Положение в периодической системе химических элементов

Кислород расположен в главной подгруппе VI группы (или в 16 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение кислорода

Электронная конфигурация кислорода в основном состоянии :

+8O 1s 2 2s 2 2p 4 1s 2s 2p

Атом кислорода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 2 неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии.

Физические свойства и нахождение в природе

Кислород О₂ — газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. Плохо растворим в воде. Жидкий кислород – голубоватая жидкость, кипящая при -183 о С.

Озон О₃ — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода.

Кислород — это самый распространённый в земной коре элемент. Кислород входит в состав многих минералов — силикатов, карбонатов и др. Массовая доля элемента кислорода в земной коре — около 47 %. Массовая доля элемента кислорода в морской и пресной воде составляет 85,82 %.

В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе.

Способы получения кислорода

В промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха.

Лабораторные способы получения кислорода:

• Разложение некоторых кислородосодержащих веществ:

Разложение перманганата калия:

Разложение бертолетовой соли в присутствии катализатора MnO₂ :

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

Разложение пероксида водорода:

2HgO → 2Hg + O₂

Соединения кислорода

Основные степени окисления кислород +2, +1, 0, -1 и -2.

Химические свойства

При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.

1. Кислород проявляет свойства окислителя (с большинством химических элементов) и свойства восстановителя (только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами , и с неметаллами . Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.

1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:

С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.

1.2. Кислород реагирует с серой и кремнием с образованием оксидов:

1.3. Фосфор горит в кислороде с образованием оксидов:

При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):

Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):

1.4. С азотом кислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000 о С), образуя оксид азота (II):

N₂ + O₂→ 2NO

1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием и алюминием кислород также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:

2Ca + O₂ → 2CaO

Однако при горении натрия в кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

2Na + O₂→ Na₂O₂

А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:

K + O₂→ KO₂

Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

2Zn + O₂→ 2ZnO

Железо , в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:

2Fe + O₂→ 2FeO

4Fe + 3O₂→ 2Fe₂O₃

3Fe + 2O₂→ Fe₃O₄

1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит , образуя оксид углерода (IV):

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C + O₂ → 2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды . При этом образуются оксиды:

4FeS + 7O₂→ 2Fe₂O₃ + 4SO₂

Ca₃P₂ + 4O₂→ 3CaO + P₂O₅

2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

• летучие водородные соединения ( сероводород, аммиак, метан, силан гидриды . При этом также образуются оксиды:

2H₂S + 3O₂→ 2H₂O + 2SO₂

Аммиак горит с образованием простого вещества, азота:

4NH₃ + 3O₂→ 2N₂ + 6H₂O

Аммиак окисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):

4NH₃ + 5O₂→ 4NO + 6H₂O

• прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора ( сероуглерод, сульфид фосфора и др.):

CS₂ + 3O₂→ CO₂ + 2SO₂

• некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления ( оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):

2CO + O₂→ 2CO₂

2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.

Например , кислород окисляет гидроксид железа (II):

Кислород окисляет азотистую кислоту :

2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:

CH₄ + 2O₂→ CO₂ + 2H₂O

2CH₄ + 3O₂→ 2CO + 4H₂O

CH₄ + O₂→ C + 2H₂O

Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)

§ 2. Кислород и вода. Реакции разложения, соединения

Физические свойства кислорода

Воздух — это сложная смесь около 15 различных газов. Содержание азота в воздухе составляет 78 % от объема воздуха, а кислорода — 21 %. Кроме того, в воздухе содержится небольшое количество аргона (0,9 %), углекислого газа (0,03 %), озона, водяного пара и других газов.

Для живых существ важнейшим компонентом воздуха является кислород, поскольку он поддерживает дыхание и горение.

При обычных условиях кислород — газ без цвета, вкуса и запаха. Толстый слой жидкого кислорода — светло-голубого цвета.

Кислород малорастворим в воде. Плотность газообразного кислорода немного больше плотности воздуха.

Для получения кислорода в лаборатории используют гидроген пероксид H₂O₂. Гидроген пероксид при обычных условиях разлагается, но очень медленно, даже если его подогреть на горелке. Но если в раствор гидроген пероксида внести щепотку манган(ГУ) оксида, то реакция протекает намного быстрее:

В данной реакции манган(^) оксид играет роль катализатора — вещества, которое изменяет скорость химической реакции, но в ней не расходуется.

♦ Реакция получения кислорода является примером реакции разложения.

Реакции разложения — это реакции, в которых из одного сложного вещества образуется несколько других веществ.

В общем виде уравнение реакции разложения можно записать следующим образом:

Химические свойства кислорода

Кислород — химически очень активное вещество. Он взаимодействует почти со всеми простыми веществами и со многими сложными. Множество реакций взаимодействия веществ с кислородом протекают с выделением теплоты и света, т. е. происходит горение.

При взаимодействии простых веществ с кислородом образуются оксиды:

♦ Во всех этих уравнениях в левой части записаны формулы двух веществ, а в правой части — одного вещества. Такие реакции называют реакциями соединения.

Реакции соединения — это реакции, в которых из двух простых или сложных веществ образуется одно сложное вещество.

В общем виде уравнение реакции соединения можно записать следующим образом:

Некоторые сложные вещества также способны гореть. В таких реакциях в большинстве случаев образуется несколько оксидов — оксидов тех элементов, которые входили в состав сложного вещества:

Физические свойства воды

Формула воды (гидроген оксида) — H₂O. При комнатной температуре вода находится в жидком состоянии — это бесцветная жидкость, в толстом слое — бледно-голубая.

При атмосферном давлении и температуре 0 °С вода превращается в лед, а при 100 °С — кипит. Плотность воды — 1 г/см 1 (при 4 °С).

Чистая вода почти не проводит электрический ток и плохо проводит теплоту. Она имеет высокую теплоемкость, т. е. медленно нагревается и медленно остывает.

При замерзании вода расширяется, поскольку плотность льда меньше плотности жидкой воды.

Взаимодействие воды с кислотными и основными оксидами

Все кислотные оксиды (за исключением силиций(^) оксида SiO₂) вступают в реакции соединения с водой с образованием кислот:

Поскольку гидраты основных оксидов являются основаниями, то при взаимодействии с водой эти оксиды должны образовывать основания. Но большинство основных оксидов с водой не взаимодействуют.

Обратите внимание! В реакцию с водой вступают только оксиды, гидраты которых являются щелочами, в частности:

1. Охарактеризуйте физические свойства кислорода и воды.

2. Почему лед всегда плавает на поверхности жидкой воды?

3. Какие реакции называют реакциями соединения? разложения?

4. Приведите уравнения реакций, характеризующие химические свойства кислорода.

5. Приведите уравнения реакций взаимодействия воды с кислотными и основными оксидами.

Задания для усвоения материала

1. Какие из данных оксидов взаимодействуют с водой? Составьте соответствующие уравнения реакций. 2 1

Добыча водорода из воды: методы и получение в домашних условиях

Наука настолько быстро развивается, что ученые уже научились разными способами получать такой химический элемент как водород. В первую очередь, это делается для хорошей альтернативы в топливе для машин в будущем, чтобы автомобили больше не заправлять бензином. «H» станет отличной альтернативой для всего, если эта сфера поднимется на более высокий уровень. Его преимущество в экологичности!

На данный момент существует несколько способов по добыче этого элемента. Ниже будут рассмотрены все эти методы получения, а так же как добыть водород в домашних условиях.

Способы получения водорода

Методы получения веществ бывают промышленными и лабораторными. В промышленности их получают в больших объемах, а в лабораторных в небольших.

Электролизный метод

К промышленному методу относится электролиз воды. Электролиз, если объяснять просто — это разложение веществ под действием электрического тока. Сам процесс достаточно сложный.

Стоит знать, что такое электролиз, чтобы можно было разбираться дальше в этой теме. Это окислительно-восстановительный процесс, протекающий, который протекает на электродах (катиона и аниона), протекающий под действием электрического тока. Окислительно-восстановительный процесс предполагает, что после реакции несколько химических элементов из положительных станут отрицательными (анионами), и наоборот (катионами).

Разобравшись со значением названия, теперь нужно понять, как получают водород! Электролиз — 1 из самых простых способов.

Берется емкость. В нее заливается сода с водой. Внутрь кладутся 2 электрических элемента. 1 должен быть анодом (плюс), а второй (минус). Затем через содовый раствор пропускается электрический ток. Под действием тока водород отправляется к катоду, а вода (Н2О) к аноду.

Восстановление водяного пара металлами

Что происходит в этом случае? Металл взаимодействует с водой при нагревании. Чтобы жидкость превратилась в пар ее нужно нагреть минимум до 100 градусов. Металл+вода = реакция замещения. Образуется оксид и газообразный водород. Но вступать в такие реакции для образования впоследствии водорода могут далеко не все элементы металлов. Существует химическая таблица, в которой химические вещества расположены друг за другом в порядке уменьшения концентрации (слева направо). Все вещества, находящиеся после водорода (Н) не могут вступать в реакции замещения и, соответственно, не имеют возможности впоследствии образовывать газообразный водород.

Как получить нужный элемент?

Выделение водорода происходит следующим образом (с научной точки зрения):

Zn + H2O = ZnO + H2.

В начале был цинк и вода. Этот металл может участвовать в реакциях, т.к. он активнее водорода (находится левее). В результате Zn вытеснил Н из Н2О, встав на его место. Водород же остался «одиноким», простым веществом, выделившись в газообразном состоянии.

Точно такой же пример можно привести с магнием:

Mg + H2O = MgO + H2.

Из метана

Метан — органическое соединение (главный компонент природного газа). При окислении метана при наличии кислорода и воды при нагревании образуется углекислый газ(2СО2) и газ-водород (6Н2). Оба газа на выходе бесцветные, не имеющие вкуса и запаха.

Такую смесь необходимо разделить на отдельные компоненты (очистить водород от примесей углекислого газа). Для этого 2СО2 пропускают через известковую воду Са(ОН)2. Углекислый газ пропускают через бесцветную жидкость. В результате образуется нерастворимый остаток карбоната кальция. Н пройдет через воду без изменений. После пропускания известковая жидкость мутнеет. Это происходит из-за остаточных явления после 2СО2.

Восстановление водяного пара коксом

Кокс — это уголь (С). При взаимодействии кокса с водяным паром (с водой при нагревании) образуется оксид угарного газа и газообразный водород. Этот метод, в первую очередь, используется для получения Н. Этот способ используется для синтеза многих других веществ. Такую реакцию называют синтез-газ, т.е. получение 2-х газообразных элементов.

Мембранная сепарация

Тоже очень интересный метод выведения газообразного неметалла. Процесс довольно простой в описании.

СО (угарный газ), Н2О(воду) и СО2 (углекислый газ) пропускают через палладиевые решетки. Они состоят палладиево-серебряного сплава. Только 3 элемента могут пройти сквозь решетку. На выходе ученые получают 99% долгожданный водород.

Способ адсорбции

Для него в работу берутся твердые вещества (всем привычный активированный уголь). Его задача поглотить собой газовые смеси, чтобы на выходе получить Н2. Конечно, в работе также используют циклические адсорбенты (молекулярные сита), позволяющие в дальнейшем выделиться нужному веществу.

Свое название метод получил из-за адсорбентов — тех самых твердых веществ.

Взаимодействие металлов с разбавленными кислотами

Данный метод уже относится к лабораторному, т.е. на выходе уже не получится такого большого количества водорода.

Все та же реакция замещения. Металл может вступать в реакцию замещения, образуя соль кислоты и образуется газообразный Н. Отличия в том, что на место воды в химической формуле стоят кислоты (разбавленные):

Zn +HCl = ZnCl + H2

Mg + H2SO4 (серная кислота разбавленная) = MgSO4 + H2

Чаще всего в лаборатории используют цинк и магний, поэтому именно эта химическая формула наиболее популярна.

Электролиз воды

Последний способ, которым добывают водород — электролиз воды. Реакция происходит очень просто. Вода под действием электрического тока расщепляется на отдельные простые элементы воды и водорода. Отсюда и название (электролиз):

Это все способы получения водорода! Далее вы узнаете, как можно самостоятельно, своими руками создать настоящий прибор-генератор для получения Н2.

Добыча водорода в условиях домашнего хозяйства

Хоть получение водорода и кажется чем-то нереальным, его можно получить у себя дома на кухне. Но для этого вам понадобится электролизер. Без него никак! Ниже представлена инструкция, как его сделать!

P.S. В самом конце, когда вы уже запустите свое устройство — водород будет выделяться в воде в виде пузырьков, скапливающихся на ее поверхности!

Выбор электролизера

Электролизер — это емкость, в которую заливается содовый раствор и помещаются 2 электрода. Т.е. это основа, где в будущем будут получать водород. Для домашнего эксперимента нет смысла рассматривать сложные конструкции, требующие наличие разных инструментов, у большинства людей которых просто нет.

Также, на кухне мало у кого найдутся колбы для перемещения воды по ним, металлические крюки и прочие материалы. Поэтому ниже будет представлен способ, как можно собрать настоящий электролизер из простых инструментов, продающихся в стройматериалах. Перед началом работы ознакомьтесь с техникой безопасности!

Изготовление аппарата своими руками

Самый легкий и примитивный способ, как можно получить водород в домашних условиях — это с помощью электролиза. Чтобы создать генератор — ничего особенного не понадобится.

Следуйте пошаговой инструкции.

• Возьмите 2 болта диаметром 7 мм и 6 мм.

• В качестве электродов (катиона и аниона) используйте лезвия.

• Чтобы произошло разделение электродов — нарежьте пластиковую трубку с помощью канцелярского ножа на кусочки.

• Обматайте 1 часть лезвия скотчем.

• Внутри, где есть отверстие в само металлическое изделие проденьте болт, предварительно закрутив на нем изолятор.

• Крепко зажмите гайку болтика.

• С другой стороны лезвия точно также закрутите еще 1 болт.

• Возьмите пару болтиков и закрепите выходные контакты из медной проволоки к электродам.

• Контакты крепко закрепите, поставив их в вертикальное положение.

• С помощью изоляции для проводов изолируйте медную проволоку.

• Зажгите спичку и подержите контакты с изоляцией над огнем, чтобы их стенки соединились друг с другом.

• В крышке из-под банки проделайте 2 отверстия дрелью (наметьте карандашом, где нужны дырочки, поставив на крышку сверху концы от проволоки электрода).

• Вставьте в крышечку электроды с контактами.

• Проденьте проволоку с изоляцией как можно глубже в крышку, зафиксировав и в таком виде с помощью горячего клея.

• Закрутите крышку на банке. Основная часть генератора уже готова.

• Просверлите в банке еще 1 отверстие для выхода водорода.

• Отрежьте от медицинского шприца переднюю часть и закрепите ее на 3-ем отверстие.

• Закрепите пластиковый кончик на горячий клей.

• Налейте в банку воду и крепко закрутите крышку.

• Возьмите еще 1 новый шприц со смещенным центром.

• На его верхушке просверлите отверстие.

• Внутрь него проденьте тонкую трубочку.

• Закройте снизу шприц заглушкой, накрепко приклеенной.

• Саму деталь (водяной затвор) от генератора приклейте на скотч на банку.

• Возьмите пластиковую трубку и соедините выход водорода с водяным затвором.

• Далее понадобится вольтметр с «крокодилами», цепляющимися за контакты.

• При питании в 33 В начинает вырабатываться водород.

• Разряд можно поднять до 50 В, чтобы процесс получения водорода из воды протекал быстрее.

Теперь вы знаете, как сделать устройство для получения Н. Но стоит помнить о технике безопасности!