Містить також усі відповіді до робочого зошиту!
9.1. Схарактеризуйте властивості кисню, заповнивши таблицю
Робота з інформацією
73. Знайдіть і презентуйте в класі інформацію про дослідження, які дали змогу відкрити кисень.
Кисень у 1774 році відкрив англійський хімік Джозеф Прістлі Він досліджував гази, які утворюються при розжарюванні речовин сфокусованими сонячними променями Прістлі нагрівав меркурій(ІІ) оксид (HgO), внаслідок чого виділявся кисень Також, незалежно від Прістлі, кисень відкрив шведський хімік Карл Вільгельм Шеєле
74. Підготуйте доповідь про відкриття й дослідження бертолетової солі, зокрема про внесок Клода Луї Бертолле.
Бертолетову сіль (калій хлорат, KClO₃) відкрив французький хімік Клод Луї Бертолле Її розкладання стало зручним лабораторним способом одержання кисню наприкінці XVIII століття. При нагріванні до 400°C ця сіль розкладається з виділенням кисню за рівнянням: $2KClO_3 = 2KCl + 3O_2$. Процес можна прискорити, додавши невелику кількість порошку манган(IV) оксиду, що дозволяє кисню виділятися вже при температурі близько 200°C
75. У додаткових джерелах дізнайтеся більше про каталізатори: чому вони впливають на перебіг реакції, але не витрачаються.
Каталізатори утворюючи проміжні сполуки, але в кінці циклу відновлюються у вихідний стан, тому їхня маса і склад не змінюються після реакції.
Роб. зош 9.5. Бланки для розв язування задач № 76-79 підручника (с. 73). У кожному бланку підпишіть номер задачі відповідно до інструкцій учителя / учительки.
76. Обчисліть, у скільки разів густина кисню більша за густину повітря. (Для обчислень використайте дані з параграфа).
Густина кисню за нормальних умов становить 1,43 г/л, а густина повітря – 1,29 г/л
Щоб обчислити, у скільки разів кисень важчий за повітря, потрібно розділити густину кисню на густину повітря:
$1,43 / 1,29 ≈ 1,11$
Отже, кисень приблизно в 1,11 раза важчий за повітря.
77. У хімічну склянку налили розчин гідроген пероксиду масою 400 г і додали дрібку манган(ІУ) оксиду. Після завершення виділення бульбашок газу в склянці залишилася вода масою 375 г. Обчисліть: а) масу утвореного кисню; б) масову частку гідроген пероксиду в початковому розчині.
Відомо:
$m(розчину) = 400$ г
$m(\text{O}_2) = 375$ г
Обчислити
$m(\text{O}_2) – ?$
$w(\text{H}_2\text{O}_2) – ?$
Розв’язання:
a) Маса утвореного кисню:
Маса кисню дорівнює різниці між масою початкового розчину і масою рідини, що залишилася після реакції.
$m(O_2) = 400 г-375 г = 25 г$
Маса утвореного кисню становить 25 г.
б) Масова частка гідроген пероксиду в початковому розчині:
Рівняння реакції розкладання гідроген пероксиду:
$2H_{2}O_{2} = 2H_{2}O + O_{2}$
З рівняння видно, що з 2 моль $ H_{2}O_{2} $ утворюється 1 моль $ O_{2}$.
Молярна маса $ H_{2}O_{2}$ = 34 г/моль.
Молярна маса $ O_{2} $ = 32 г/моль.
З 68 г (2 * 34 г) $H_{2}O_{2}$ утворюється 32 г $O_{2}$.
Знайдемо масу гідроген пероксиду, що розклався для утворення 25 г кисню:
$ m(H_{2}O_{2}) = \dfrac{25 г \cdot 68 г}{32 г} = 53,125 г$
Тепер обчислимо масову частку гідроген пероксиду в початковому розчині:
$ w(H_{2}O_{2}) = \dfrac{m(H_{2}O_{2})}{m(розчину)} \cdot 100\% $
$ w(H_{2}O_{2}) = \dfrac{53,125 г}{400 г} \cdot 100\% \approx 13,3\% $
Масова частка гідроген пероксиду в початковому розчині становить приблизно 13,3%.
78. Порівняйте масові частки Оксигену в калій перманганаті та бертолетовій солі.
Для порівняння обчислимо масові частки ($w$) Оксигену в кожній сполуці.
Молярні маси:
$M_r(\text{KClO}_3) = 122,5$ г/моль,
$M_r(\text{KMnO}_4) = 158$ г/моль
Бертолетова сіль (KClO₃):
$w(\text{O}) = \dfrac{3 \cdot A_r(\text{O})}{M_r(\text{KClO}_3)} = \dfrac{3 \cdot 16}{122,5} \approx 0,3915$ або 39,15%.
Калій перманганат (KMnO₄):
$w(\text{O}) = \dfrac{4 \cdot A_r(\text{O})}{M_r(\text{KMnO}_4)} = \dfrac{4 \cdot 16}{158} \approx 0,4050$ або 40,50%.
Масова частка Оксигену трохи вища в калій перманганаті.
79. Обчисліть масу кисню, який можна одержати з: а) бертолетової солі масою 1 кг; б) калій перманганату масою 1 кг. Яку із цих двох речовин вигідніше використовувати для одержання кисню (якщо припустити, що в них однакова вартість)? Обчисліть об’єми одержаного кисню в кожному разі (за температури 0 °С й нормального атмосферного тиску).
а) Обчисліть масу кисню, який можна одержати з бертолетової солі масою 1 кг; Обчисліть об’єм одержаного кисню.
Відомо:
m(KClO₃) = 1 кг = 1000 г
ρ(O₂) = 1,43 г/л
Обчислити:
m(O₂)-?
V(O₂)-?
Розв’язання
Рівняння реакції: 2KClO₃ = 2KCl + 3O₂.
M(KClO₃) = 39 + 35,5 + 48 = 122,5 г/моль
M(O₂) = 32 г/моль
n(KClO₃) = m(KClO₃) : M(KClO₃) = 1000 г : 122,5 г/моль = 8,163 моль
З рівняння реакції:
n(KClO₃)/n(O₂) = 2/3, звідси n(O₂) = n(KClO₃) * 3 : 2 = 8,163 моль * 3 : 2 = 12,24 моль
m(O₂) = n(O₂) * M(O₂) = 12,24 моль * 32 г/моль = 391,68 г
V(O₂) = m(O₂) / ρ(O₂) = 391,68 г / 1,43 г/л ≈ 274 л
Відповідь: m(O₂) = 391,68 г, V(O₂) ≈ 274 л.
б) Обчисліть масу кисню, який можна одержати з калій перманганату масою 1 кг. Обчисліть об’єм одержаного кисню.
Відомо:
m(KMnO₄) = 1 кг = 1000 г
ρ(O₂) = 1,43 г/л
Обчислити:
m(O₂)-?
V(O₂)-?
Розв’язання
Рівняння реакції: 2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂.
M(KMnO₄) = 39 + 55 + 64 = 158 г/моль
n(KMnO₄) = m(KMnO₄) : M(KMnO₄) = 1000 г : 158 г/моль = 6,32 моль
З рівняння реакції:
n(KMnO₄)/n(O₂) = 2/1, звідси n(O₂) = n(KMnO₄) : 2 = 6,32 моль : 2 = 3,16 моль
m(O₂) = n(O₂) * M(O₂) = 3,16 моль * 32 г/моль = 101,12 г
V(O₂) = m(O₂) / ρ(O₂) = 101,12 г / 1,43 г/л ≈ 70,7 л
Відповідь: m(O₂) = 101,12 г, V(O₂) ≈ 70,7 л.
80. Як ви вважаєте, що означають терміни «лабораторний спосіб одержання» та «промисловий спосіб одержання»? Яким критеріям мають відповідати лабораторні способи одержання речовин, а яким — промислові? Порівняйте їх, склавши діаграму Венна.
| Відмінне (Лабораторний спосіб одержання) | Спільне | Відмінне (Промисловий спосіб одержання) |
|---|---|---|
| Умови: У лабораторії, хімічними реакціями. | Кисень | Умови: ректифікація або електроліз. |
| Сировина: Оксигеновмісні сполуки, що легко розкладаються. | Сировина: Повітря або вода. | |
| Особливості: Застосовують каталізатори. |
Розуміння явищ природи (робота в групах)
81. З якою метою працівники рибних господарств роблять узимку ополонки на річках і озерах?
Працівники рибних господарств роблять узимку ополонки для того, щоб кисень із повітря міг потрапляти у воду. Рибам, як і іншим живим істотам, потрібен кисень для дихання, а взимку крига на поверхні водойм перешкоджає цьому процесу.
82. Як ви вважаєте, чи можна виділити чистий кисень із повітря дією магніту, якщо інші складники повітря магнітом не притягуються?
Так, це можливо, але тільки якщо попередньо сильно охолодити повітря, щоб воно стало рідким. Рідкий кисень притягується магнітом. Таким чином, його можна було б відокремити.
83. (Роб. зош. 9.2.). Уявіть, що перед вами дві однакові закриті колби, наповнені за однакових умов повітрям і киснем. Як можна визначити, у якій колбі міститься кисень, не відкриваючи колби?
Найпростіше — зважити колби на чутливих вагах, кисень важчий.
84. Із підвищенням температури розчинність газів у воді зменшується. Чи можна наповнювати акваріум із рибами кип’яченою охолодженою водою? Поясніть свою думку.
Ні, не можна. Під час кип’ятіння з води видаляється майже весь розчинений кисень, який необхідний рибам для дихання. Навіть після охолодження у такій воді кисню буде занадто мало для життя риб.
85. Як ви вважаєте, чи впливає кількість доданого каталізатора на швидкість реакції? Чому каталізатори можна додавати в невеликих кількостях?
Не впливає кількість. Його можна додавати в невеликих кількостях, тому що каталізатор не витрачається в процесі реакції, а лише змінює її швидкість. Після завершення реакції він залишається в незмінному вигляді.
86. Як зміниться стан терезів, якщо в порожню склянку, яка врівноважена на терезах, крізь трубочку додати кисень?
Шалька терезів зі склянкою опуститься. Це станеться тому, що кисень важчий за повітря. Густина кисню становить 1,43 г/л, а повітря — 1,29 г/л.
87. Карл Шеєле відкрив кисень раніше, ніж Джозеф Прістлі, але опублікував результати своїх досліджень пізніше. Тому першовідкривачем кисню вважають Прістлі. Чи згодні ви з таким принципом визначення першості? Наведіть свої аргументи (за або проти).
Я згоден з таким принципом. У науці важливо не тільки зробити відкриття, а й поділитися ним зі світом. Поки результати дослідження не опубліковані, інші вчені не можуть про них дізнатися, перевірити їх або використати для подальших досліджень. Джозеф Прістлі першим оприлюднив своє відкриття, що дозволило науці рухатися вперед, тому його і вважають першовідкривачем.
88. Назву кисню (oxygen) дав Антуан Лавуазьє після дослідження його властивостей. Першовідкривачі називали кисень інакше: Джозеф Прістлі — «поліпшеним повітрям», а Карл Шеєле — «вогненним повітрям». Як ви вважаєте, чим керувалися науковці, даючи такі назви відкритому газу?
Науковці керувалися властивостями газу, які вони спостерігали. Карл Шеєле назвав його «вогненним повітрям», бо помітив, що цей газ активно підтримує горіння. Джозеф Прістлі назвав його «поліпшеним повітрям», оскільки в ньому свічка горіла яскравіше, а миші жили довше, ніж у звичайному повітрі.
89. За матеріалом параграфа висловіть припущення, що економічно вигідніше: одержувати кисень нагріванням бертолетової солі без каталізатора чи із витратами на каталізатор.
Економічно вигідніше одержувати кисень з використанням каталізатора. Хоча каталізатор має свою вартість, він дозволяє проводити реакцію за значно нижчої температури (близько 200 °C замість 400 °C), що суттєво зменшує витрати на енергію для нагрівання..
90. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про значення каталізаторів у промисловості, техніці та в живих організмах.
Каталізатори відіграють ключову роль у багатьох сферах:
- Промисловість: Вони прискорюють хімічні реакції, що дозволяє виробляти аміак, пластмаси, ліки та багато інших продуктів швидше та з меншими енергетичними затратами.
- Техніка: У автомобілях каталітичні нейтралізатори перетворюють шкідливі вихлопні гази (чадний газ, оксиди Нітрогену) на менш шкідливі вуглекислий газ, азот і воду.
- Живі організми: Біологічні каталізатори, які називаються ферментами, є основою всіх життєвих процесів. Вони беруть участь у травленні, диханні, обміні речовин та передачі нервових імпульсів.
91. Одержання кисню електролізом потребує великих витрат на електрику. Кисень у промисловості одержують переважно ректифікацією. Проаналізуйте схему цього процесу.
За схемою схарактеризуйте цей спосіб розділення газів повітря.
Під час ректифікації повітря сильно охолоджують до перетворення його на рідину, а потім температуру зрідженого повітря поступово підвищують. Спочатку з нього виділяється газ азот. Рідина, що залишається поступово збагачується киснем.
Одержання кисню ректифікацією скрапленого повітря ґрунтується на фізичних чи хімічних явищах?
Це фізичне явище, оскільки розділення газів відбувається на основі їхніх різних температур кипіння без зміни хімічного складу речовин.
Назвіть два способи розділення сумішей, які використовують у цьому процесі.
Перший спосіб — охолодження та виморожування, за допомогою якого з повітря видаляють воду та вуглекислий газ у твердому стані. Другий спосіб — ректифікація (перегонка), під час якої рідкі компоненти повітря розділяються завдяки різним температурам кипіння.
Оцініть (приблизно) температуру скрапленого повітря.
Температура скрапленого повітря має бути нижчою за температуру кипіння всіх його основних компонентів тобто близько −190 °C, між точками кипіння N2 (≈−196 °C) та O2 (≈−183 °C)..
Температура кипіння якої речовини вища: азоту чи аргону? аргону чи кисню?
Температура кипіння аргону (–186 °C) вища, ніж азоту (–196 °C). Температура кипіння кисню (–183 °C) вища, ніж аргону.
Поясніть різницю прибутковості двох промислових способів одержання кисню: електролізом води та ректифікацією повітря.
Ректифікація повітря є значно прибутковішою. По-перше, сировина (повітря) є безкоштовною, тоді як для електролізу потрібна очищена вода. По-друге, витрати електроенергії на скраплення та розділення повітря в перерахунку на одиницю кисню є меншими, ніж при електролізі води.
92. Проаналізуйте методи одержання кисню, описані в параграфі. До якого типу реакцій — сполучення чи розкладу — вони належать? Відповідь поясніть. Сформулюйте визначення для цього типу реакцій.
Усі методи одержання кисню, наведені в параграфі, належать до реакцій розкладу. В кожному з цих методів одна складна речовина розпадається на декілька простіших. Наприклад, при розкладанні гідроген пероксиду ($H_2O_2$) утворюється вода ($H_2O$) і кисень ($O_2$), що відповідає схемі A = B + C. Аналогічно відбувається і з іншими речовинами, як-от калій перманганат чи вода.
Реакції розкладу — це хімічні реакції, внаслідок яких з однієї складної речовини утворюється дві або більше нових речовин.
93. (Робочий зошит 9.7.) Поліна та Сергій досліджували залежність розчинності кисню у воді від температури. За результатами роботи створили графік. Проаналізуйте графік і дайте відповіді на запитання.
Схарактеризуйте залежність розчинності кисню у воді від температури.
З графіка видно, що розчинність кисню у воді зменшується з підвищенням температури.
У водах якого океану — Північного Льодовитого чи Індійського — уміст кисню більший? Аргументуйте свою думку.
Уміст кисню більший у водах Північного Льодовитого океану. Це пов’язано з тим, що його води значно холодніші за води Індійського океану, а в холодній воді, як показує графік, розчиняється більше кисню.
Визначте оптимальну температуру в акваріумі, якщо для життєдіяльності риб мінімальний уміст кисню — 8 мг на 1 л води.
Згідно з графіком, уміст кисню 8 мг/л відповідає температурі приблизно 27,5°C.
Як підвищення температури води в озері внаслідок глобального потепління може вплинути на популяцію риб? Які наслідки глобального потепління на екологічний баланс у водоймах?
Підвищення температури води призведе до зниження концентрації розчиненого кисню, що ускладнить дихання риб. Це може спричинити хвороби, уповільнення росту і навіть загибель рибних популяцій. Порушення екологічного балансу також може проявлятися у «цвітінні» води через розмноження водоростей, що ще більше зменшить кількість кисню.
Як температура може впливати на якість питної води, зокрема на наявність патогенних анаеробних мікроорганізмів?
Вища температура води створює сприятливі умови для розмноження мікроорганізмів, у тому числі хвороботворних. Оскільки тепла вода містить менше кисню, це сприяє розвитку анаеробних мікроорганізмів, які не потребують кисню для життя і можуть бути небезпечними для здоров’я.
За результатами дослідження Сергій зробив висновок, що в Північному Льодовитому океані найбільше біорізноманіття з-поміж усіх океанів. Оцініть правильність цього твердження, наведіть аргументи для його підтвердження або спростування.
Це твердження є неправильним. Хоча в холодній воді багато кисню, біорізноманіття залежить і від інших факторів, як-от температура, сонячне світло та доступність їжі. Найбільше біорізноманіття спостерігається у теплих тропічних водах, наприклад, біля коралових рифів, а суворі умови Арктики обмежують кількість видів.
Поліна стверджує, що навіть за покриття водойми льодом, узимку в озері риби зможуть вижити. Оцініть правильність цього твердження, наведіть аргументи «за» або «проти».
Твердження Поліни правильне. Лід легший за воду, тому він утворює на поверхні захисний шар, який не дає всій водоймі промерзнути. Під льодом вода має температуру близько +4°C, за якої вона містить достатньо кисню. До того ж, у холоді метаболізм риб сповільнюється, і вони потребують менше кисню для дихання.
94. (9.8 робочий зошит) Одержаний у промисловості кисень (як газуватий, так і скраплений) треба правильно зберігати та доставляти до споживачів. Залежно від агрегатного стану кисню, його зберігають у різні способи, як зображено на малюнках.
Як ви вважаєте, у яких посудинах зберігають газуватий кисень, а в яких — скраплений? Відповідь поясніть.
Газуватий кисень зберігають у міцних сталевих балонах під високим тиском. Скраплений кисень, який є рідиною при дуже низькій температурі (–183°C), зберігають у спеціальних теплоізольованих ємностях — посудинах Дьюара.
За схемою влаштування посудини Дьюара поясніть, на чому ґрунтується зберігання кисню в необхідному агрегатному стані. Які є обмеження використання посудин Дьюара? За необхідності зверніться до додаткових джерел інформації.
Принцип роботи посудини Дьюара полягає в максимальній теплоізоляції. Вона має подвійні стінки, між якими створено вакуум, що перешкоджає передачі тепла. Це дозволяє довго підтримувати низьку температуру всередині і зберігати кисень у рідкому стані. Обмеженням є те, що ідеальної ізоляції не існує, тому рідина все одно повільно випаровується. Через це посудину Дьюара не можна герметично закривати, щоб уникнути надлишкового тиску.
Які побутові аналоги посудини Дьюара ми використовуємо в щоденному житті?
Побутовим аналогом посудини Дьюара є термос, який ми використовуємо для збереження напоїв гарячими або холодними.