Кислород
Кислород — один из самых распространенных на Земле элементов. Он составляет около половины веса земной коры, внешней оболочки планеты. В соединении с водородом он образует воду, покрывающую более двух третей земной поверхности.
Мы не можем ни увидеть кислород, ни ощутить его вкус или запах. Тем не менее, он составляет пятую часть воздуха и является жизненно необходимым. Чтобы жить, нам, так же как животным и растениям, надо дышать.
Кислород — непременный участник химических реакций, идущих внутри любой микроскопической клетки живого организма, в результате которых расщепляются питательные вещества и высвобождается энергия, необходимая для жизни. Именно поэтому кислород так необходим каждому живому существу (за исключением немногих видов микробов).
При горении вещества соединяются с кислородом, выделяя при этом энергию в виде тепла и света.
Водород
Самым распространенным элементом во Вселенной является водород. На него приходится основная масса большинства звезд. На Земле основная часть водорода (химический символ Н) связана с кислородом (О), образуя воду (Н20). Водород — простейший и самый легкий химический элемент, так как каждый его атом состоит лишь из одного протона и одного электрона.
В начале XX века водородом наполняли дирижабли, большие воздушные суда. Однако водород очень легко воспламеняется. После нескольких катастроф, вызванных пожарами, водород в дирижаблях перестали использовать. Сегодня в воздухоплавании используют другой легкий газ — негорючий гелий.
Водород соединяется с углеродом и образует вещества, которые называются углеводородами. К ним относятся продукты, получаемые из природного газа и сырой нефти, например, газообразные пропан и бутан, или жидкий бензин. Водород также соединяется с углеродом и кислородом с образованием углеводов. Крахмал в картофеле и рисе, сахар в свекле являются углеводами.
Солнце и другие звезды в основном состоят из водорода. В центре звезды чудовищные температуры и давления заставляют атомы водорода сливаться друг с другом и превращаться в другой газ – гелий. При этом выделяется огромное количество энергии в виде тепла и света.
Источник
Урок 12. Водород и кислород
Водород
Водород — самый распространённый химический элемент во Вселенной. Именно он составляет основу горючего вещества Звёзд.
Водород — первый химический элемент Периодической системы Менделеева. Его атом имеет простейшее строение: вокруг элементарной частицы «протон» (ядро атома) вращается один-единственный электрон:
Природный водород состоит из трех изотопов: протий 1 Н, дейтерий 2 Н и тритий 3 Н.
Задание 12.1. Укажите строение ядер атомов этих изотопов.
Имея на внешнем уровне один электрон, атом водорода может проявлять единственно возможную для него валентность I:
Вопрос. Образуется ли завершённый внешний уровень при приёме атомом водорода электронов?
Таким образом, атом водорода может и принимать, и отдавать один электрон, т. е. является типичным неметаллом. В любых соединениях атом водорода одновалентен.
Простое вещество «водород» Н2 — газ без цвета и запаха, очень лёгкий. Он плохо растворим в воде, но хорошо растворим во многих металлах. Так, один объём палладия Рd поглощает до 900 объёмов водорода.
Схема (1) показывает, что водород может быть и окислителем, и восстановителем, реагируя с активными металлами и многими неметаллами:
Задание 12.2. Определите, в каких реакциях водород является окислителем, а в каких — восстановителем. Обратите внимание, что молекула водорода состоит из двух атомов.
Смесь водорода и кислорода является «гремучим газом», поскольку при поджигании её происходит сильнейший взрыв, который унёс многие жизни. Поэтому опыты, в которых выделяется водород, нужно выполнять подальше от огня.
Чаще всего водород проявляет восстановительные свойства, что используется при получении чистых металлов из их оксидов*:
* Аналогичные свойства проявляет алюминий (см. урок 10 — алюминотермия).
Разнообразные реакции происходят между водородом и органическими соединениями. Так, за счёт присоединения водорода (гидрирование) жидкие жиры превращаются в твёрдые (подробнее урок 25).
Водород можно получить разными способами:
- Взаимодействием металлов с кислотами:
Задание 12.3. Составьте уравнения таких реакций для алюминия, меди и цинка с соляной кислотой. В каких случаях реакция не идет? Почему? В случае затруднения см. уроки 2.2 и 8.3;
- Взаимодействие активных металлов с водой:
Задание 12.4. Составьте уравнения таких реакций для натрия, бария, алюминия, железа, свинца. В каких случаях реакция не идёт? Почему? В случае затруднений см. урок 8.3.
В промышленных масштабах водород получают электролизом воды:
а также при пропускании паров воды через раскалённые железные опилки:
Водород — самый распространённый элемент Вселенной. Он составляет бОльшую часть массы звёзд и участвует в термоядерном синтезе — источнике энергии, которую эти звёзды излучают.
Кислород
Кислород — самый распространённый химический элемент нашей планеты: более половины атомов Земной коры приходится на кислород. Вещество кислород О2 составляет около 1/5 нашей атмосферы, а химический элемент кислород — 8/9 гидросферы (Мирового океана).
В Периодической системе Менделеева кислород имеет порядковый номер 8 и находится в VI группе второго периода. Поэтому строение атома кислорода следующее:
Имея на внешнем уровне 6 электронов, кислород является типичным неметаллом, т. е. присоединяет два электрона до завершения внешнего уровня:
Поэтому кислород в своих соединениях проявляет валентность II и степень окисления –2 (за исключением пероксидов).
Принимая электроны, атом кислорода проявляет свойства окислителя. Это свойство кислорода исключительно важно: процессы окисления происходят при дыхании, обмене веществ; процессы окисления происходят при горении простых и сложных веществ.
Горение — окисление простых и сложных веществ, которое сопровождается выделением света и теплоты. В атмосфере кислорода горят или окисляются почти все металлы и неметаллы. При этом образуются оксиды:
При горении в кислороде сложных веществ образуются оксиды химических элементов, входящих в состав исходного вещества. Только азот и галогены выделяются в виде простых веществ:
Вторая из этих реакций используется как источник тепла и энергии в быту и промышленности, так как метан CH4 входит в состав природного газа.
Кислород позволяет интенсифицировать многие промышленные и биологические процессы. В больших количествах кислород получают из воздуха, а также электролизом воды (как и водород). В небольших количествах его можно получить разложением сложных веществ:
Задание 12.5. Расставьте коэффициенты в приведенных здесь уравнениях реакций.
Воду нельзя ничем заменить — этим она отличается практически от всех других веществ, которые встречаются на нашей планете. Воду может заменить только сама вода. Без воды нет жизни: ведь жизнь на Земле возникла тогда, когда на ней появилась вода. Жизнь зародилась в воде, поскольку она является естественным универсальным растворителем. Она растворяет, а значит, измельчает все необходимые питательные вещества и обеспечивает ими клетки живых организмов. А в результате измельчения резко возрастает скорость химических и биохимических реакций. Более того, без предварительного растворения невозможно протекание 99,5 % (199 из каждых 200) реакций! (См. также урок 5.1.)
Известно, что взрослый человек в сутки должен получать 2,5–3 л воды, столько же выводится из организма: т. е. в организме человека существует водный баланс. Если он нарушается, человек может просто погибнуть. Например, потеря человеком всего 1–2 % воды вызывает жажду, а 5 % — повышает температуру тела вследствие нарушения терморегуляции: возникает сердцебиение, возникают галлюцинации. При потере 10 % и более воды в организме возникают такие изменения, которые уже могут быть необратимы. Человек погибнет от обезвоживания.
Вода — уникальное вещество. Её температура кипения должна составлять –80 °C (!), однако равна +100 °C. Почему? Потому что между полярными молекулами воды образуются водородные связи:
Поэтому и лёд, и снег — рыхлые, занимают больший объём, чем жидкая вода. В результате лёд поднимается на поверхность воды и предохраняет обитателей водоёмов от вымерзания. Свежевыпавший снег содержит много воздуха и является прекрасным теплоизолятором. Если снег покрыл землю толстым слоем, то и животные и растения спасены от самых суровых морозов.
Кроме того, вода имеет высокую теплоёмкость и является своеобразным аккумулятором тепла. Поэтому на побережьях морей и океанов климат мягкий, а хорошо политые растения меньше страдают от заморозков, чем сухие.
Без воды в принципе невозможен гидролиз, химическая реакция, которая обязательно сопровождает усвоение белков, жиров и углеводов, которые являются обязательными компонентами нашей пищи. В результате гидролиза эти сложные органические вещества распадаются до низкомолекулярных веществ, которые, собственно, и усваиваются живым организмом (подробнее см. уроки 25–27). Процессы гидролиза были нами рассмотрены в уроке 6. Вода реагирует со многими металлами и неметаллами, оксидами, солями.
Задание 12.6. Составьте уравнения реакций:
- натрий + вода →
- хлор + вода →
- оксид кальция + вода →
- оксид серы (IV) + вода →
- хлорид цинка + вода →
- силикат натрия + вода →
Изменяется ли при этом реакция среды (рН)?
Вода является продуктом многих реакций. Например, в реакции нейтрализации и во многих ОВР обязательно образуется вода.
Задание 12.7. Составьте уравнения таких реакций.
Выводы
Водород — самый распространённый химический элемент во Вселенной, а кислород — самый распространённый химический элемент на Земле. Эти вещества проявляют противоположные свойства: водород — восстановитель, а кислород — окислитель. Поэтому они легко реагируют друг с другом, образуя самое удивительное и самое распространённое на Земле вещество — воду.
Источник
Почему вода не горит, хотя состоит из горючих веществ (водорода и кислорода)
В нашей повседневной жизни есть вещи, которые настолько распространены, что почти каждый человек знает о них. Например, всем известно, что вода — жидкость, она легко доступна и не горит, следовательно, она может гасить огонь. Но вы когда-нибудь задумывались почему это так?
Вода состоит из атомов водорода и кислорода. Оба этих элемента поддерживают горение. Итак, исходя из общей логики (не научной) из этого следует, что вода тоже должна гореть, верно? Тем не менее этого не происходит.
Когда происходит горение?
Горение -это химический процесс, в котором молекулы и атомы объединяются, при этом выделяется энергия в виде тепла и света. Чтобы что-нибудь сжечь вам потребуется две вещи — топливо как источник горения (например, лист бумаги, кусок дерева и т. д.) и окислитель (содержащийся в земной атмосфере кислород является основным окислителем). Также нам потребуется тепло необходимое для достижения температуры воспламенения вещества, чтобы начался процесс горения.
Например, рассмотрим процесс сжигания бумаги с использованием спичек. Бумага в этом случае будет являться топливом, газообразный кислород, содержащийся в воздухе будет выступать в качестве окислителя, а температура воспламенения будет достигаться благодаря горящей спичке.
Структура химического состава воды
Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Ее химическая формула Н2О. Теперь интересно отметить, что два составных элемента воды действительно легко воспламеняющиеся вещества.
Почему водород является горючим веществом?
Атомы водорода имеют только один электрон и поэтому легко соединяется с другими элементами. Как правило в природе водород встречается в виде газа, молекулы которого состоят из двух атомов. Этот газ очень реактивный и быстро окисляется в присутствии окислителя, что делает его легковоспламеняемым.
При сгорании водорода происходит выделение большого количества энергии, поэтому его часто используют в сжиженном виде для запуска в космос космических аппаратов.
Кислород поддерживает горение
Как упоминалось ранее, для любого горения необходим окислитель. Есть много химических окислителей, в их числе кислород, озон, перекись водорода, фтор и т.д. В качестве основного окислителя, который в избытке содержится в атмосфере Земли является кислород. Он как правило является основным окислителем в большинстве пожаров. Именно поэтому для поддержания огня необходим постоянный приток кислорода.
Вода тушит огонь
Вода может гасить огонь по ряду причин, одной из которых является то, что это негорючая жидкость, несмотря на то, что состоит из двух элементов, которые могут по отдельности создать огненный ад.
Как мы уже говорили ранее, водород легко воспламеняется, все что для этого нужно это окислитель и температура воспламенения для начала реакции. Так как кислород является самым распространенным окислителем на Земле он быстро соединяется с атомами водорода с выделением большого количества света и тепла, при этом образуются молекулы воды. Вот как это происходит:
Обратите внимание на то, что смесь водорода с небольшим объемом кислорода или воздуха взрывоопасна и называется гремучим газом, она сгорает чрезвычайно быстро с громким хлопком, что воспринимается как взрыв. Катастрофа дирижабля «Гинденбург» в 1937 г. в Нью-Джерси унесла десятки жизней в результате возгорания водорода, которым была наполнена оболочка дирижабля. Легкая воспламеняемость водорода и его взрывоопасность в сочетании с кислородом — это главная причина того, что мы не получаем воду химическим путем в лабораториях.
В двух словах, при сгорании бумаги, мы получаем золу; когда сгорает водород, то мы получаем воду. Так же, как мы больше не можем сжигать пепел бумаги (т. к. она уже вся прогорела), мы не можем сжечь воду!
Если Вам понравилась статья , поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Источник
