Озон, горіння і повільне окиснення
~15 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Порівнюєш кисень і озон за складом, властивостями й біологічним значенням; пояснюєш умови виникнення й припинення горіння; розрізняєш горіння, повільне окиснення й дихання як ланки колообігу Оксигену.
Ти вже знаєш, що кисень O₂ — безбарвний газ, який підтримує дихання й горіння. Але Оксиген утворює й іншу просту речовину — озон O₃. Обидві речовини складаються лише з атомів Оксигену, тому кожна з них є простою речовиною. Існування двох або більше простих речовин, утворених одним хімічним елементом, називають алотропією. Отже, кисень O₂ та озон O₃ — алотропні модифікації (алотропні форми) Оксигену.
Склад і утворення озону
Молекула озону містить три атоми Оксигену: O₃. Молярна маса M(O₃) = 48 г/моль (16 · 3). Озон утворюється з кисню під дією електричних розрядів (блискавки під час грози) та ультрафіолетового випромінювання Сонця. Рівняння утворення:
Озон нестійкий — він поступово розкладається назад на кисень:
Порівняння кисню й озону
Ознака | Кисень O₂ | Озон O₃ |
|---|---|---|
Колір | безбарвний | блакитний |
Запах | без запаху | різкий запах «свіжості» |
Розчинність у воді | малорозчинний | краще розчиняється |
Окисна здатність | окисник | значно сильніший окисник |
Стійкість | стійкий за звичайних умов | нестійкий, розкладається |
Токсичність | нетоксичний | отруйний у великих концентраціях |
Завдяки високій окисній здатності озон знезаражує воду й повітря (озонування), а також вибілює речовини. Проте у великих концентраціях він отруйний для людини.
Озоновий шар і його значення
У стратосфері, на висоті приблизно 20–30 км, міститься озоновий шар — область підвищеної концентрації озону. Він виконує роль захисного екрана: поглинає більшу частину жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця, небезпечного для живих організмів. Без озонового шару життя на суходолі було б неможливим.
Озоновий шар руйнують фреони (хлорфторвуглеці), які використовували в холодильниках, кондиціонерах і аерозолях. Через це над Антарктидою щовесни утворюється так звана озонова діра — зона з дуже низьким умістом озону.
Важливо розрізняти: озон у стратосфері (озоновий шар) — корисний і захищає Землю. Озон у приземному шарі повітря (тропосфері) — шкідливий забруднювач, компонент смогу, що подразнює дихальні шляхи.
Горіння — це швидка хімічна реакція окиснення, що супроводжується виділенням теплоти й світла (полум'я). Важливо запам'ятати: горить сама речовина (паливо), а кисень лише підтримує горіння. У чистому кисні речовини горять значно інтенсивніше, ніж на повітрі, де кисню лише приблизно 21 % за об'ємом.
Три умови виникнення горіння
Щоб речовина загорілася, потрібні одночасно три умови. Якщо хоча б однієї з них немає, горіння не почнеться або припиниться.
Горюча речовина — матеріал, здатний горіти (дерево, бензин, природний газ, папір, тканина тощо).
Доступ кисню (повітря) — окисник, без якого реакція окиснення не відбувається.
Нагрівання до температури займання — найнижчої температури, за якої речовина спалахує й продовжує горіти самостійно. Для різних речовин ця температура різна.
Як припинити горіння: способи гасіння
Щоб погасити вогонь, достатньо усунути хоча б одну з трьох умов. Розгляньмо, які способи на яку умову діють.
Спосіб гасіння | Яку умову усуває | Приклад |
|---|---|---|
Накрити ковдрою, кришкою, піском | припиняє доступ кисню | сковорода з палаючою олією |
Вуглекислотний вогнегасник | витісняє кисень вуглекислим газом | електроприлади, горючі рідини |
Залити водою | охолоджує нижче температури займання | тліюче вугілля, деревина |
Перекрити газовий кран | усуває горючу речовину | витік газу на кухні |
Прибрати дрова, створити просіку | усуває горючу речовину | лісова пожежа |
НЕ можна гасити водою: палаючий бензин, олію чи інші горючі рідини, легші за воду (вони спливають і розтікаються); електропроводку та прилади під напругою (вода проводить струм — ризик ураження). Такі пожежі гасять піском, ковдрою або вуглекислотним вогнегасником.
Не кожне окиснення відбувається з полум'ям. Якщо реакція з киснем протікає повільно, без видимого світла, а теплота виділяється поступово, такий процес називають повільним окисненням.
Приклади повільного окиснення
Гниття — розкладання органічних решток (листя, трави, харчових відходів) під дією мікроорганізмів і кисню повітря.
Іржавіння заліза — утворення гідратованого ферум(III) оксиду (іржа) під дією кисню й вологи.
Згіркнення жирів — окиснення ненасичених жирів киснем, через що олія чи масло набувають неприємного запаху й смаку.
Дихання — окиснення органічних речовин у клітинах живих організмів.
Дихання як повільне окиснення
Дихання — це повільне окиснення органічних речовин (насамперед глюкози) у клітинах, яке забезпечує організм енергією. Сумарне рівняння дихання для глюкози:
Як бачиш, дихання, як і горіння, витрачає кисень і утворює вуглекислий газ та воду. Але на відміну від горіння, дихання відбувається без полум'я, за низьких температур (у живих клітинах), а енергія виділяється поступово й запасається в молекулах АТФ.
Самозаймання
Цікаве явище, що поєднує повільне окиснення й горіння. Якщо теплота, яка виділяється під час повільного окиснення, не відводиться (наприклад, у купі вологого сіна, промасленому ганчір'ї або вугіллі на складі), речовина поступово нагрівається. Коли температура сягає температури займання, речовина спалахує — виникає пожежа без зовнішнього джерела вогню. Це називають самозайманням.
Спільне й відмінне
Горіння, повільне окиснення й дихання — це екзотермічні процеси окиснення, у всіх кисень виступає окисником. Вони різняться швидкістю й наявністю полум'я:
Процес | Швидкість | Полум'я | Приклад |
|---|---|---|---|
Горіння | швидка | є | горіння свічки, газу |
Повільне окиснення | повільна | немає | іржавіння, гниття |
Дихання | повільна | немає | клітинне дихання |
Оксиген — один із найпоширеніших елементів на Землі. Його атоми входять до складу води, гірських порід, органічних речовин і, звісно, атмосферного повітря. У природі відбувається безперервний колообіг Оксигену, у якому кисень то витрачається, то повертається в атмосферу.
Фотосинтез — джерело кисню
Зелені рослини, водорості та ціанобактерії в процесі фотосинтезу поглинають вуглекислий газ і воду й під дією сонячного світла (за участю хлорофілу) утворюють глюкозу та кисень:
Саме фотосинтез повертає кисень в атмосферу, підтримуючи його вміст на рівні приблизно 21 %. Без фотосинтезу весь кисень був би витрачений за геологічно короткий час.
Витрачання кисню
Кисень витрачається в трьох основних процесах:
Дихання — більшість живих організмів (тварини, рослини, аеробні мікроорганізми) поглинають кисень і виділяють CO₂.
Горіння — спалювання деревини, вугілля, природного газу, бензину витрачає величезні обсяги кисню.
Гниття — мікроорганізми окиснюють органічні рештки, споживаючи кисень.
У всіх цих процесах утворюється вуглекислий газ CO₂, який потім знову використовується рослинами для фотосинтезу. Так замикається колообіг.
Утворення озонового шару
У стратосфері, на висоті 20–30 км, частина молекулярного кисню O₂ під дією жорсткого ультрафіолетового випромінювання перетворюється на озон O₃. Так формується озоновий шар, який, своєю чергою, поглинає надлишкове ультрафіолетове випромінювання й захищає все живе на Землі.
Біологічне значення кисню й озону
Кисень необхідний для дихання більшості живих організмів. Без нього неможливе клітинне дихання, а отже, й одержання енергії. Озоновий шар уможливлює життя на суходолі, захищаючи від ультрафіолету. Крім того, озон використовують для знезараження питної води (озонування) — він убиває бактерії та віруси, не залишаючи токсичних продуктів, як хлор.
Вплив людини на колообіг Оксигену
Вирубування лісів зменшує інтенсивність фотосинтезу, а спалювання викопного палива (вугілля, нафти, газу) збільшує витрати кисню й викиди CO₂. Це порушує природний баланс і посилює парниковий ефект. Докладніше про оксиди в атмосфері, кислотні дощі та парниковий ефект — у наступному юніті «Оксиди неметалічних елементів в атмосфері: кислотні дощі й парниковий ефект».
Розгляньмо типові завдання НМТ на тему озону, горіння й повільного окиснення. Кожен приклад супроводжується покроковим розв'язанням і поясненням, чому інші варіанти неправильні.
Приклад 1. Спосіб гасіння, що припиняє доступ кисню
Завдання: Який спосіб гасіння ґрунтується на припиненні доступу кисню?
А перекрити газовий кран
Б накрити кришкою сковороду з палаючою олією
В залити тліюче вугілля водою
Г відчинити вікна
Розв'язання. Згадаймо три умови горіння: горюча речовина, доступ кисню, нагрівання до температури займання. Кожен спосіб гасіння усуває одну з них.
Перекрити газовий кран — усуває горючу речовину (газ перестає надходити).
Накрити кришкою сковороду з палаючою олією — ізолює олію від повітря, тобто припиняє доступ кисню.
Залити тліюче вугілля водою — вода охолоджує вугілля нижче температури займання.
Відчинити вікна — посилює приплив повітря (кисню), що тільки роздмухує полум'я.
Відповідь: Б. Накрити кришкою сковороду з палаючою олією.
Чому інші неправильні: А — усуває горючу речовину, а не кисень; В — охолоджує, а не припиняє доступ кисню; Г — взагалі не гасить, а посилює горіння.
Приклад 2. Процес, що НЕ є горінням
Завдання: Який процес НЕ є горінням?
А згоряння природного газу в пальнику
Б спалах магнієвої стрічки
В горіння свічки
Г дихання
Розв'язання. Горіння — швидке окиснення з полум'ям. Згоряння газу, спалах магнію й горіння свічки — це швидкі реакції з полум'ям. Дихання — повільне окиснення без полум'я, тому воно не є горінням.
Відповідь: Г. Дихання.
Чому інші неправильні: Усі три варіанти (А, Б, В) — приклади горіння, бо супроводжуються полум'ям і швидким виділенням теплоти.
Приклад 3. Логічні пари: ознака → газ
Завдання: Установіть відповідність між ознакою (1–3) і газом (А–Д).
1 блакитний газ з різким запахом, сильний окисник
2 безбарвний газ без запаху, у якому спалахує тліюча скіпка
3 газ, що гасить скіпку й каламутить вапняну воду
А озон; Б кисень; В карбон(IV) оксид; Г азот; Д водень
Розв'язання. Ознака 1 — блакитний газ із різким запахом, сильний окисник. Це озон O₃ (1 → А). Ознака 2 — безбарвний газ без запаху, у якому спалахує тліюча скіпка. Це кисень O₂ (2 → Б). Ознака 3 — газ, що гасить скіпку й каламутить вапняну воду. Це карбон(IV) оксид CO₂ (3 → В).
Відповідь: 1А, 2Б, 3В.
Чому інші неправильні: Азот (Г) — безбарвний газ без запаху, але в ньому тліюча скіпка гасне, а не спалахує. Водень (Д) — безбарвний газ без запаху, але він горить, а не гасить скіпку, і не каламутить вапняну воду.
Приклад 4. Два твердження про озон
Завдання: Прочитайте твердження. Виберіть правильний варіант відповіді.
I. Озон — сполука Оксигену з Гідрогеном.
II. Озоновий шар поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця.
А правильне лише I
Б правильне лише II
В обидва правильні
Г обидва неправильні
Розв'язання. Твердження I: озон O₃ складається лише з атомів Оксигену, це проста речовина, а не сполука. Отже, I неправильне. Твердження II: озоновий шар у стратосфері справді поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця. Отже, II правильне.
Відповідь: Б. Правильне лише II.
Чому інші неправильні: А — I неправильне, тому не може бути «правильне лише I». В — I неправильне, тому не можуть бути обидва правильними. Г — II правильне, тому не можуть бути обидва неправильними.
Вважати озон сполукою Оксигену з іншим елементом. O₃ — проста речовина, алотропна модифікація Оксигену. Вона складається лише з атомів Оксигену, тому не є сполукою. Сполука — це речовина, утворена атомами різних елементів.
Вважати дихання горінням, бо обидва процеси витрачають кисень і дають CO₂ та воду. Дихання — повільне окиснення без полум'я, що відбувається в живих клітинах за низьких температур. Горіння — швидке окиснення з полум'ям. Різниця — у швидкості й наявності полум'я.
Гасити водою палаючий бензин, олію чи електропроводку під напругою. Бензин і олія легші за воду, тому спливають і розтікаються, поширюючи пожежу. Вода проводить струм, тому гасити нею електроприлади під напругою смертельно небезпечно. Такі пожежі гасять піском, ковдрою або вуглекислотним вогнегасником.
Вважати, що вода гасить вогонь лише тим, що «змочує», а не охолодженням нижче температури займання. Вода має високу теплоємність: вона забирає тепло від палаючої речовини, охолоджуючи її нижче температури займання. Саме охолодження, а не «змочування» — головний механізм гасіння водою.
Плутати руйнування озонового шару (фреони) з парниковим ефектом (CO₂, метан). Озоновий шар руйнують фреони (хлорфторвуглеці). Парниковий ефект спричиняють вуглекислий газ, метан та інші парникові гази. Це різні екологічні проблеми, хоч обидві пов'язані з атмосферою.
Вважати озон корисним і в приземному повітрі. У стратосфері озоновий шар справді корисний. Але в приземному шарі (тропосфері) озон — отруйний забруднювач, компонент фотохімічного смогу, що подразнює очі й дихальні шляхи.
Тема «Озон, горіння і повільне окиснення» входить до програми НМТ з хімії (розділ про неметалічні елементи та неметали). Розгляньмо, у яких формах і завданнях вона може трапитися.
Що перевіряють
Окиснення: горіння, повільне окиснення, дихання.
Умови виникнення та припинення горіння.
Озон як алотропна модифікація Оксигену, його властивості й значення.
Колообіг Оксигену в природі.
Уміння оцінювати біологічне значення кисню й озону.
Форми завдань
Форма | Номери | Бали | Приклад змісту |
|---|---|---|---|
Вибір однієї відповіді з чотирьох | № 1–18 | 1 бал | спосіб гасіння; процес, що не є горінням |
Логічні пари 1–3 → А–Д | № 19–20 | 0–3 бали (по 1 за пару) | «ознака → газ»; «процес → тип окиснення» |
Вибір однієї з чотирьох щодо двох тверджень | напр. № 10 | 1 бал | два твердження про озон (кожне оцінюють окремо) |
У демонстраційному варіанті НМТ 2026 року завдання 10 — це вибір однієї відповіді з чотирьох щодо двох тверджень. Кожне твердження оцінюють окремо (правильно / неправильно), а потім вибирають підсумкову відповідь.
Стратегія виконання
Для кожного способу гасіння визнач, яку з трьох умов горіння він усуває: горючу речовину, доступ кисню чи нагрівання до температури займання.
Запам'ятай ключові ознаки газів: озон — блакитний, із запахом, сильний окисник; кисень — безбарвний, без запаху, підтримує горіння; CO₂ — безбарвний, без запаху, гасить скіпку й каламутить вапняну воду.
Розрізняй горіння (швидке, з полум'ям) і повільне окиснення (без полум'я): дихання, гниття, іржавіння — це повільне окиснення.
Пам'ятай: озон O₃ — проста речовина (алотропна модифікація), а не сполука.
Чому після грози пахне свіжістю?
Під час грозових розрядів (блискавок) через повітря проходить електричний струм величезної напруги. Під дією цих розрядів частина молекулярного кисню O₂ перетворюється на озон O₃ за рівнянням 3O₂ → 2O₃. Озон має характерний різкий запах, який ми сприймаємо як «свіжість після грози». Концентрація озону після грози дуже мала, тому він безпечний, але добре відчутний.
Якщо озон отруйний, чому озоновий шар такий потрібний?
Усе залежить від того, де міститься озон. У стратосфері (на висоті 20–30 км) озон утворює захисний шар, який поглинає жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця. Без цього шару ультрафіолет досягав би поверхні Землі, спричиняючи мутації, рак шкіри та знищуючи життя. У приземному шарі (тропосфері) озон справді отруйний — він подразнює дихальні шляхи, тому його вважають забруднювачем повітря. Отже, стратосферний озон — захисник, а тропосферний — шкідник.
Чому не можна гасити палаючу олію водою?
Олія (як і бензин) легша за воду й не змішується з нею. Коли на палаючу олію ллють воду, олія спливає на поверхню води й розтікається, захоплюючи полум'я на більшу площу. Замість гасіння пожежа тільки поширюється. Правильний спосіб — накрити сковороду кришкою (припинити доступ кисню) або засипати піском чи харчовою содою.
Чим дихання відрізняється від горіння, якщо в обох процесах утворюються CO₂ і вода?
Справді, сумарне рівняння дихання глюкози (C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O) дуже схоже на рівняння горіння глюкози. Але є ключові відмінності. Горіння — швидкий процес, що відбувається за високої температури, з полум'ям, і вся енергія виділяється у вигляді теплоти й світла. Дихання — повільний, багатостадійний процес, що відбувається в живих клітинах за температури тіла (близько 36–37 °C), без полум'я. Енергія виділяється поступово й запасається в молекулах АТФ, а не розсіюється вся одразу як тепло.
Як сіно може самозайнятися без вогню?
Вологе сіно, складене в купу, починає повільно окиснюватися киснем повітря. Це повільне окиснення — екзотермічний процес, тобто воно виділяє теплоту. Якщо сіно зберігають у великій купі, теплота не встигає відводитися назовні (сіно — хороший теплоізолятор). Температура всередині купи поступово зростає. Коли вона досягає температури займання сіна (близько 200–250 °C), сіно спалахує — виникає пожежа без зовнішнього джерела вогню. Це явище називають самозайманням. Воно можливе також для промасленого ганчір'я, вугілля на складі й торфу.
Озон O₃ — алотропна модифікація Оксигену, блакитний газ з різким запахом, сильніший окисник за кисень.
Озоновий шар у стратосфері поглинає ультрафіолетове випромінювання; його руйнують фреони.
Горіння — швидке окиснення з виділенням теплоти й світла (полум'я). Повільне окиснення (гниття, іржавіння, дихання) — без полум'я.
Три умови горіння: горюча речовина, доступ кисню, нагрівання до температури займання. Гасіння усуває хоча б одну з них.
Фотосинтез повертає кисень в атмосферу; дихання, горіння й гниття його витрачають — це колообіг Оксигену.