Горение в чистом кислороде происходит с большей скоростью чем на воздухе
Урок 18. Физические и химические свойства кислорода
В уроке 18 «Физические и химические свойства кислорода» из курса «Химия для чайников» выясним, какие физические и химические свойства имеет кислород и узнаем о реакциях горения.
Как у любого химического вещества, у кислорода есть свой набор физических и химических свойств, по которым его можно отличить от других веществ.
Физические свойства
По своим физическим свойствам простое вещество кислород относится к неметаллам. При нормальных условиях он находится в газообразном агрегатном состоянии. Кислород не имеет цвета, запаха и вкуса. Масса кислорода объемом 1 дм 3 при н. у. равна примерно 1,43 г.
При температуре ниже −183 °С кислород превращается в голубую жидкость, а при −219 °С эта жидкость переходит в твердое вещество. Это означает, что температура кипения кислорода равна: t кип.= −183 °С, а температура плавления составляет: t пл.= −219 °С. Кислород плохо растворяется в воде.
Химические свойства
Кислород является химически активным веществом. Он способен вступать в реакции с множеством других веществ, однако для протекания большинства этих реакций необходима более высокая, чем комнатная, температура. При нагревании кислород реагирует с неметаллами и металлами.
Если стеклянную колбу наполнить кислородом и внести в нее ложечку с горящей серой, то сера вспыхивает с образованием яркого пламени и быстро сгорает (рис. 80).
Химическую реакцию, протекающую в этом случае, можно описать следующим уравнением:
В результате реакции образуется вещество SO2, которое называется сернистым газом. Сернистый газ имеет резкий запах, который вы ощущаете при зажигании обычной спички. Это говорит о том, что в состав головки спички входит сера, при горении которой и образуется сернистый газ.
Подожженный красный фосфор в колбе с кислородом вспыхивает еще ярче и быстро сгорает, образуя густой белый дым (рис. 81).
При этом протекает химическая реакция:
Белый дым состоит из маленьких твердых частиц продукта реакции — P2O5.
Если в колбу с кислородом внести тлеющий уголек, состоящий в основном из углерода, то он также вспыхивает и сгорает ярким пламенем (рис. 82).
Протекающую химическую реакцию можно представить следующим уравнением:
Продуктом реакции является CO2, или углекислый газ, с которым вы уже знакомы. Доказать образование углекислого газа можно, добавив в колбу немного известковой воды. Помутнение свидетельствует о присутствии CO2 в колбе.
Возгорание уголька можно использовать для отличия кислорода от других газов. Если в сосуд (колбу, пробирку) с газом внести тлеющий уголек и он вспыхнет, то это указывает на наличие в сосуде кислорода.
Кроме неметаллов, с кислородом реагируют и многие металлы. Внесем в колбу с кислородом раскаленную стальную проволоку, состоящую в основном из железа. Проволока начинает ярко светиться и разбрасывать в разные стороны раскаленные искры, как при горении бенгальского огня (рис. 83).
При этом протекает следующая химическая реакция:
В результате реакции образуется вещество Fe3O4 (железная окалина). В состав формульной единицы этого вещества входят три атома железа, причем один из них имеет валентность II, а два других атома имеют валентность III. Поэтому формулу этого вещества можно представить в виде FeO * Fe2O3.
На заметку: Реакцию железа с кислородом используют для резки стальных изделий. Для этого определенный участок детали сначала нагревают с помощью кислородногазовой горелки. Затем направляют на нагретое место струю чистого кислорода, для чего перекрывают кран поступления горючего газа в горелку. Нагретое до высокой температуры железо вступает в химическую реакцию с кислородом и превращается в окалину. Так можно разрезать очень толстые железные детали.
Реакции горения
Общим для рассмотренных нами реакций является то, что при их протекании выделяется много света и теплоты. Очень многие вещества именно так взаимодействуют между собой.
Рассмотренные выше реакции простых веществ серы, фосфора, углерода и железа с кислородом являются реакциями горения.
Реакциями горения называются химические реакции, протекающие с выделением большого количества теплоты и света.
На заметку: Некоторые химические реакции протекают очень быстро. Такие реакции называют взрывными или просто взрывами. Например, взаимодействие кислорода с водородом может протекать в форме взрыва.
Горение может протекать не только в кислороде, но и в других газах. Об этих процессах вы узнаете при дальнейшем изучении химии.
Горение веществ на воздухе и в кислороде
Вы уже знаете, что в состав окружающего нас воздуха входит кислород. Поэтому многие вещества горят не только в чистом кислороде, но и на воздухе.
Горение на воздухе протекает чаще всего гораздо медленнее, чем в чистом кислороде. Происходит это потому, что в воздухе лишь одна пятая часть по объему приходится на кислород. Если уменьшить доступ воздуха к горящему предмету (а следовательно, уменьшить доступ кислорода), горение замедляется или прекращается. Отсюда понятно, почему для тушения загоревшегося предмета на него следует набросить, например, одеяло или плотную тряпку.
На заметку : При пожарах для тушения горящих предметов часто используют пену (рис. 84). Она обволакивает горящий предмет и прекращает доступ к нему кислорода. Горение сначала замедляется, а затем прекращается совсем.
Некоторые вещества, быстро сгорающие в кислороде, на воздухе не горят вообще. Так, если нагреть железную проволоку на воздухе даже до белого каления, она все равно не станет гореть, тогда как в чистом кислороде быстро сгорает с образованием раскаленных искр.
Краткие выводы урока:
Надеюсь урок 18 «Физические и химические свойства кислорода» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
ГДЗ (ответы) Химия 7 класс Григорович А.В. §19 Горение и окисление веществ в воздухе
Контрольные вопросы
Вопрос 1 Какие условия необходимы для возникновения горения? Для возникновения горения необходимы доступ воздуха и нагревание вещества до температуры воспламенения.
Вопрос 2 Что общего между процессами горения, дыхания и гниения? Это процессы взаимодействия веществ с кислородом.
Задания для усвоения материала
Упражнение 1 Что общего и чем отличаются процессы горения, медленного окисления и взрыва? Общим является их взаимодействие с кислородом, а отличаются скоростю этого взаимодействия.
Упражнение 2 Узнайте по справочнику, какие из атмосферных газов легче воздуха; тяжелее воздуха.
Чтобы узнать, какие из газов легче или тяжелее воздуха, достаточно сравнить их относительные молекулярные массы со средней относительной молекулярной массой воздуха (Mr=29).
Как вы считаете, от чего она зависит? От химического строения вещества
Упражнение 4 Прелые листья или сено на воздухе могут вспыхнуть. Объясните, почему это происходит. В этих случаях теплота, выделяемая при медленном окислении веществ, является достаточной для самовозгорания.
Упражнение 5 Почему для тушения горящих предметов можно использовать плотное одеяло? Чтобы прекратить доступ воздуха. Пламя гаснет, потому что прекращается доступ воздуха, а одеяло не загорается, потому что не успевает нагреться до своей температуры воспламенения.
Упражнение 6 Вычислите, какая масса кислорода содержится в одной из комнат вашей квартиры.
Дано: размеры комнаты: a=3 м, b=4 м, c=2,5 м, ρ(О2) =1,43 г/л.
V=abc=3 • 4 • 2,5=30 м 3
В воздухе кислорода около 20% по объему (или 1/5 часть), поэтому объем кислорода будет в 5 раз меньше, то есть
V(O2)= 30 м 3 :5=6 м 3 =6000 л
Из формулы ρ= m/V находим массу m=V• ρ:
Ответ: масса кислорода 8 кг 580 г.
Упражнение 7 Как вы считаете, почему на воздухе горение происходит медленнее, чем в чистом кислороде? В воздухе горение происходит медленнее, чем в чистом кислороде, потому что в воздухе кислорода содержится около 20%, а имеющиеся в нем азот и другие газы не поддерживают горение.
В процессе горения веществ участвует лишь 1/5 объема воздуха.
Упражнение 8 Почему тлеющие угли костра вспыхивают ярким пламенем, если на них сильно подуть? Таким образом на тлеющие угли костра нагнетается воздух, в котором содержится кислород, который поддерживает горение.
Упражнение 9 Какой химический процесс является основой:
а) разрушения древесины в случае длительного хранения;
б) уменьшения прочности одежды из хлопка, льна и шелка со временем;
в) саморазогревания влажного зерна в зернохранилище;
Медленное окисление (прение)
г) разогревания почвы после внесения в нее навоза?
Медленное окисление (гниение)
Упражнение 11* Как вы считаете, каковы функции азота, кислорода, углекислого газа и водяного пара в атмосфере Земли?
Азот: с воздуха усваивается микроорганизмами и бактериями, которые переводят его в удобную для других организмов форму ; в составе атмосферы защищает от охлаждения и перегрева.
Кислород: участвует в процессах окисления, дыхания, горения; молекулы кислорода и озона непрерывно превращаются друг на друга и вместе с тем защищают живые организмы на поверхности планеты от ультрафиолета.
Углекислый газ: нужен для фотосинтеза; является парниковым газом в атмосфере Земли.
Водяной пар: является парниковым газом в атмосфере Земли; обусловливает влажность воздуха (облака, атмосферные осадки)
Кислород не такой безопасный, как кажется
Содержание
В чистом кислороде горение происходит гораздо интенсивнее, чем в воздухе, и чем выше давление, тем быстрее горение. Негорючие или трудно поддающиеся возгоранию, в обычных условиях, материалы моментально загораются в атмосфере чистого O2.
При контакте с маслами, жирами, горючими пластмассами, угольной пылью, ворсинками органических веществ и т.п. чистый кислород способен окислять их с большими скоростями, в результате чего они самовоспламеняются или взрываются. И в дальнейшем может послужить причиной пожара.
По этой причине цилиндры кислородного компрессора смазывают дистиллированной водой, в которую добавляют 10% глицерина. Кроме того, поршневые кольца компрессоров для накачивания изготавливают из графита или другого антифрикционного материала работающего без смазки и не загрязняющего кислород органическими примесями.
В кислороде могут загораться и углеродистые стали при достаточном количестве тепла в месте соприкосновения и незначительной массе металла (например, при трении тонких пластин о массивные детали машин, наличии частиц окалины, стружки или железного порошка).
Для предотвращения возможности возникновения пожара необходимо строго следить, чтобы объемная доля O2 в рабочих помещениях не превышала 23%.
Несмотря на то, что человеку жизненно необходим кислород, но при его длительном вдыхании происходит поражение органов дыхания и легких с возможным последующим летальным исходом.
Жидкий кислород имеет низкую температуру, поэтому при попадании на кожу или в глаза он вызываем моментальное обморожение.
Опасен ли кислород в баллоне?
Если в кислороде присутствует избыток влаги, внутренняя стенка баллона начинает подвергаться коррозии. В результате образуются рыхлые массы гидратов оксида железа (Fe(OH), Fe(OH)2, Fe(OH)3) в которые свободно проникает кислород, что содействует распространению коррозии вглубь стенки.
Если баллоны наполнены сухим газом, то происходит очень медленное окисление железа в тонком поверхностном слое. В результате образующиеся окислы покрывают стенку сплошной пленкой препятствующей дальнейшему процессу окисления.
Практика показывает, что при отсутствии влаги в баллоне даже после 20 лет эксплуатации не наблюдается заметной коррозии металла на внутренней стенке.
В процессе газовой сварки или газовой резки в конце опорожнения баллона из-за низкого давления O2 возможно перетекание горючего газа (ацетилена, пропана, метана) находящегося в баллоне под более высоким давлением, что приводит к образованию взрывоопасной смеси взрывающейся при обратном ударе. Поэтому при заправке баллоны очень тщательно проверяют на наличие в них посторонних газов.
Симптомы у человека при недостатке кислорода в воздухе
Нормальное содержание O2 в воздухе находится в пределах 21%. При понижении его количества в результате сгорания или вымещения инертными газами (аргон, гелий) возникает недостаток кислорода, последствия, и симптомы которого указаны в таблице ниже.
При наличии вышеуказанных симптомов пострадавшего следует быстро вынести на свежий воздух и дать ему подышать кислородом или сделать искусственное дыхание. Необходима немедленная медицинская помощь.
Ингаляция насыщенного кислородом воздуха должна проводиться под наблюдением врача.
Правила безопасности при использовании, хранении и транспортировке кислорода
Все вышеуказанные свойства и особенности кислорода нужно принимать во внимание при его использовании, хранении и транспортировке.
Горение в чистом кислороде происходит с большей скоростью чем на воздухе
Горение веществ в воздухе
Люди издавна задумывались над природой горения веществ. За тысячелетия развития науки выдвигалось множество гипотез, которые пытались объяснить, почему одни вещества горят, а другие — нет. Большинство из этих гипотез сегодня вызывают улыбку, а их изучение интересно разве что с исторической точки зрения.
Впервые современную теорию горения выдвинул французский химик А. Лавуазье. Он установил, что горение происходит при участии воздуха, а точнее, одного из его компонентов — кислорода. Кроме того, Лавуазье доказал, что воздух является не простым веществом, а смесью газов, и определил его состав.
Существенным образом на активность горения влияет содержание кислорода в воздухе. Если бы в воздухе содержалось менее 15 % кислорода, то горение было бы невозможным. А если бы содержание кислорода превышало 30 %, то было бы очень сложно загасить огонь. Все деревья на нашей планете сгорели бы в результате лесных пожаров, которые мог бы потушить только очень сильный ливень.
Но главное, что при горении выделяется много теплоты (энергии), которую можно использовать для бытовых и промышленных нужд. Также при горении выделяется свет, и часто этот процесс сопровождается образованием пламени.
Выдающийся французский химик. С ранних лет проявлял интерес к физике и химии. Длительное время изучал горение веществ, первым установил, что в процессах горения и дыхания участвует кислород. Чтобы доказать состав алмаза, в складчину с друзьями купил большой бриллиант и сжег его, чем доказал, что алмазы состоят из атомов Карбона (рис. 102). Открыл закон сохранения массы веществ в химических реакциях. Доказал, что кислород и металлы являются простыми веществами, а вода — сложным. В то время химики считали воду простым веществом, поскольку не могли ее разложить. Ввел систему присвоения названий веществам, основанную на их составе. Дал современные названия многим элементам.
Взаимодействие веществ с кислородом может происходить медленно, без заметного выделения теплоты. В этом случае горение не наблюдается. Такие процессы называют медленным окислением. Например, железо при хранении на воздухе медленно превращается в рыжий порошок ржавчины, что условно можно описать уравнением:
Медленное окисление — это процесс медленного взаимодействия веществ с кислородом без образования пламени и большого количества теплоты.
Медленное окисление отличается от горения отсутствием пламени и длительностью протекания. В повседневной жизни часто встречаются оба процесса. Мы разжигаем костер в лесу, сжигаем природный газ или дрова в печи и наблюдаем горение. Процессы медленного окисления не так заметны, но встречаются не менее редко. Все мы сталкивались с тем, что металлические предметы со временем тускнеют — покрываются слоем оксида. Если залезть в свежий стог сена, то можно ощутить тепло и запах веществ, выделяющихся при прении влажной травы. Из-за этой теплоты сено может даже воспламениться. Прение и гниение — примеры медленного окисления веществ в природе.
Процессы горения и медленного окисления могут переходить друг в друга: дрова в прогоревшем костре еще некоторое время продолжают тлеть, и наоборот, тлеющая спичка, брошенная в лесу, может стать причиной большого пожара. На предприятиях пропитанную смазочным маслом ветошь после обтирания станков запрещено накапливать в кучах. Внутри такой кучи процессы медленного окисления с выделением теплоты настолько повышают температуру, что может произойти самовозгорание. Медленное окисление способно при определенных условиях перейти в горение.
При некоторых условиях горение может происходить так быстро, что вещество взрывается. Обычно это происходит, если горючее вещество сильно измельчено. Например, муку горючим веществом назвать сложно, но на мукомольных заводах происходили взрывы, когда очень мелко смолотая мука, взвешенная в воздухе, взрывалась от небольшой искры.
Взрываться могут смеси кислорода с некоторыми газами. Смесь кислорода с водородом в соотношении 1 : 2 называют «гремучий газ». Он взрывается от наименьшей искры с образованием воды (рис. 104):
Взрываться могут смеси природного газа или угольной пыли с воздухом. Вот почему необходимо следить за исправностью газовых плит и газовых трубопроводов, расположенных в закрытых помещениях. Шахты постоянно проветриваются мощными насосами не только для того, чтобы в них легче дышалось, но и для того, чтобы уменьшить до безопасных значений содержание рудничного газа (метан), выделяющегося из угольных пластов.
Условия возникновения и протекания реакции горения
Рассмотрим, от чего зависит протекание реакции горения. В первую очередь для начала горения необходим контакт горючего вещества с кислородом.
Если в закрытом пространстве горит какое-то вещество, то кислород быстро расходуется и горение прекращается.
Поэтому для поддержания беспрерывного горения в печах и каминах строят вытяжные трубы (рис. 105). Нагретые продукты сгорания легче воздуха и под-
нимаются вверх, а на их место поступает свежий воздух, обеспечивая доступ кислорода. Чем выше труба, тем сильнее тяга воздуха и тем активнее происходит горение.
Интенсивность горения зависит от содержания кислорода в воздухе. Поэтому, для того чтобы увеличить температуру пламени, сквозь него продувают воздух или подают чистый кислород (рис. 106). Этим приемом пользуются кузнецы, газосварщики, металлурги, стекловары. Возможно, вы также им пользовались. Вспомните, чтобы разжечь костер на пикнике, вы нагнетали воздух на загоревшиеся дрова.
Еще одним условием горения является то, что вещество должно быть нагретым до температуры воспламенения. Даже если вещество может гореть, но пока его не нагреть, оно не загорится. Например, бумага вспыхивает на воздухе в случае нагревания до 230 °С, а бензин нужно нагреть до 300 °С. Обычно для достижения температуры воспламенения вещество поджигают. Загоревшееся вещество продолжает гореть самостоятельно, так как в процессе горения выделяется большое количество теплоты, благодаря которой постепенно нагревается следующая порция вещества.
Температура воспламенения некоторых веществ близка к комнатной. Такие вещества вспыхивают на воздухе самостоятельно, без нагревания. Это явление называют самовоспламенением. К самовоспламеняющимся веществам относится белый фосфор, поэтому его нельзя хранить на воздухе, а только под слоем воды.
Итак, для возгорания горючих веществ необходимы два условия: доступ кислорода и нагревание вещества до температуры воспламенения. И наоборот, для того чтобы потушить горящий предмет, необходимо либо охладить его, либо перекрыть к нему доступ кислорода.
Часто для тушения огня используют воду. Она препятствует доступу воздуха и охлаждает предмет за счет испарения. Но есть вещества, которые нельзя тушить водой. К ним относятся некоторые металлы (калий, натрий), которые сами активно взаимодействуют с водой, что может только усилить пожар. Нельзя тушить водой и некоторые органические вещества, такие как бензин, керосин и др. Они легче воды, поэтому в случае попытки потушить их водой они всплывают на поверхность и продолжают гореть, распространяя пламя на соседние участки. Также нельзя тушить водой пожар, вызванный неисправным электрооборудованием.
Самый эффективный способ тушения пламени, используемый в химических лабораториях,— это прекращение доступа воздуха при помощи песка, пены, огнетушителей или специальных асбестовых одеял (рис. 107).
На прекращении доступа кислорода основано действие углекислотных огнетушителей (рис. 108а, с. 142). При открытии вентиля сжатый под давлением углекислый газ поступает в зону горения и перекрывает доступ кислорода к горючему веществу (сам углекислый газ не поддерживает горение). Конечно же, углекислый газ быстро испаряется, но за это время вещество успевает остыть и уже не загорается снова. В быту чаще используются кислотные или порошковые огнетушители. В кислотных огнетушителях (рис. 1086, с. 142) углекислый газ образуется в результате химической реакции соды с кислотой, а порошковые огнетушители разбрасывают
специальный порошок, который, попадая в пламя, разлагается с образованием углекислого газа.
В домашних условиях, чтобы потушить горящие предметы или одежду, загоревшуюся на человеке, необходимо набросить одеяло, шубу, ковер или покрывало и плотно завернуть, чтобы прекратить доступ воздуха.
1. Горение — быстрый процесс взаимодействия вещества с кислородом воздуха, сопровождающийся выделением теплоты и образованием пламени. Для возникновения горения необходимы доступ воздуха и нагревание вещества до температуры воспламенения.
2. Медленное окисление — это процесс медленного взаимодействия вещества с кислородом. Оно происходит с постепенным выделением теплоты и без пламени. При определенных условиях медленное окисление может переходить в горение и наоборот.
4. Для прекращения горения необходимо, чтобы не было хотя бы одного из условий его возникновения. Для этого необходимо либо охладить горящее вещество, либо перекрыть доступ воздуха.
1. Какие условия необходимы для возникновения горения?
2. Что общего между процессами горения, дыхания и гниения?
Задания для усвоения материала
1. Что общего и чем отличаются процессы горения, медленного окисления и взрыва?
2. Узнайте по справочнику, какие из атмосферных газов легче воздуха; тяжелее воздуха.
3. Объясните, что подразумевают под температурой воспламенения. Как вы считаете, от чего она зависит?
4. Прелые листья или сено на воздухе могут вспыхнуть. Объясните, почему это происходит.
5. Почему для тушения горящих предметов можно использовать плотное одеяло?
6. Вычислите, какая масса кислорода содержится в одной из комнат вашей квартиры.
7. Как вы считаете, почему на воздухе горение происходит медленнее, чем в чистом кислороде?
8. Почему тлеющие угли костра вспыхивают ярким пламенем, если на них сильно подуть?
9. Какой химический процесс является основой: а) разрушения древесины в случае длительного хранения; б) уменьшения прочности одежды из хлопка, льна и шелка со временем; в) саморазогревания влажного зерна в зернохранилище; г) разогревания почвы после внесения в нее навоза?
10. Можно ли использовать термин «молекула воздуха»? Ответ обоснуйте.
11*. Как вы считаете, каковы функции азота, кислорода, углекислого газа
и водяного пара в атмосфере Земли?
• Газ, который остается после прекращения горения, Лавуазье назвал «азот», что означает «безжизненный».
• Во времена Киевской Руси пожар, который начался от молнии, нельзя было тушить водой. Такой огонь считался божественным, и его тушили молоком.