K₂O₂ — соединение калия с кислородом, в котором у кислорода степень окисления −1, а не привычная −2.
- Пероксидная связь — атомы кислорода соединены связью O−O и образуют пероксидный ион O₂²⁻.
- Свойства — белый или желтоватый порошок и сильный окислитель.
- С холодной водой — образуется щёлочь и пероксид водорода: K₂O₂ + 2H₂O → 2KOH + H₂O₂.
- При нагревании — H₂O₂ разлагается, и суммарно реакция выглядит так: 2K₂O₂ + 2H₂O → 4KOH + O₂↑.
- Не путай K₂O₂ с оксидом калия K₂O — в оксиде степень окисления кислорода −2, связи O−O нет. Если в задании встречаются обе формулы, сначала определи класс соединения: от него зависят степени окисления и продукты реакций.
Как это спрашивают на экзамене
В заданиях на степени окисления и окислительно-восстановительные реакции встречаются, например, такие формулировки:
«Определите степень окисления кислорода в K₂O₂».
«Напишите уравнение реакции пероксида калия с водой».
«Сравните свойства оксида и пероксида калия».
«Выберите вещества, в которых кислород имеет степень окисления −1».
Бывает и задача на расстановку коэффициентов в уравнении реакции K₂O₂ с кислотой.
Если ты уверенно отличаешь пероксид от оксида, все эти задания начинаются с одного шага: правильно определить степень окисления кислорода.
Состав и степень окисления: почему кислород −1
- Формула: K₂O₂
- Систематическое название: пероксид калия
- Молярная масса: 110 г/моль
Пероксиды — соединения, в которых атомы кислорода связаны друг с другом связью O−O и имеют степень окисления −1.
K₂O₂ состоит из двух ионов K⁺ и пероксидного иона O₂²⁻, где два атома кислорода связаны одинарной ковалентной связью. Заряд −2 приходится на оба атома, и каждому достаётся −1.
Проверим по сумме: 2·(+1) + 2·(−1) = 0. Соединение электронейтрально.
Главная ловушка темы. Если ты, не задумываясь, поставишь кислороду −2, у калия выйдет +2, а щелочной металл в соединениях проявляет степень окисления +1. Получил такое противоречие — перед тобой пероксид.
У калия есть три соединения с кислородом, которые легко перепутать:
| Формула | Класс | Ион | Степень окисления O |
|---|---|---|---|
| K₂O | оксид | O²⁻ | −2 |
| K₂O₂ | пероксид | O₂²⁻ | −1 |
| KO₂ | супероксид | O₂⁻ | −1/2 (средняя) |
Пероксиды образуют и другие щелочные металлы:
- Na₂O₂
- Li₂O₂
- Rb₂O₂
- Cs₂O₂
Во всех этих соединениях кислород имеет степень окисления −1.
Na₂O₂ — жёлтый порошок со сходными свойствами, и уравнения его реакций записывают по той же схеме, что и для K₂O₂.
Физические свойства
- Вид: K₂O₂ — твёрдое вещество, белый порошок, часто желтоватый из-за примеси супероксида KO₂.
- Плотность: по разным справочникам 2,1–2,4 г/см³.
- Плавление: около 490 °C вещество плавится и при этом разлагается с выделением кислорода; без разложения оно плавится только под избыточным давлением O₂.
Дальше о том, как K₂O₂ ведёт себя в контакте с другими веществами:
- Гигроскопичен — поглощает влагу из воздуха.
- В воде растворяется и вступает с ней в реакцию (она разобрана ниже).
- Сильный окислитель — реагирует с органическими веществами и при контакте с ними пожароопасен.
Пример: допустим, тебя спрашивают, можно ли хранить это вещество рядом с горючими материалами. Ответ: нет, из-за окислительных свойств.
Химические свойства: таблица реакций с уравнениями
Основные реакции K₂O₂ собраны в таблицу. В трёх реакциях из пяти среди продуктов есть кислород.
| Тип реакции | Уравнение | Продукты | Примечание |
|---|---|---|---|
| С водой | на холоду: K₂O₂ + 2H₂O → 2KOH + H₂O₂; при нагревании: 2K₂O₂ + 2H₂O → 4KOH + O₂↑ | Гидроксид калия и пероксид водорода; при нагревании — гидроксид калия и кислород | Кислород выделяется при разложении H₂O₂. Баланс суммарного уравнения: слева 4K, 6O, 4H, справа столько же |
| С кислотами | на холоду: K₂O₂ + 2HCl → 2KCl + H₂O₂ | Хлорид калия и пероксид водорода | При нагревании или в присутствии катализатора H₂O₂ разлагается: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑ |
| С CO₂ | 2K₂O₂ + 2CO₂ → 2K₂CO₃ + O₂ | Карбонат калия и кислород | Используют для регенерации воздуха. Баланс: 4K, 2C, 😯 с обеих сторон |
| С SO₂ | K₂O₂ + SO₂ → K₂SO₄ | Сульфат калия | Сера окисляется с +4 до +6 |
| Термическое разложение | 2K₂O₂ → 2K₂O + O₂ | Оксид калия и кислород | Протекает при высокой температуре |
Пример: с разбавленной серной кислотой на холоду реакция идёт так же, как с соляной: K₂O₂ + H₂SO₄ → K₂SO₄ + H₂O₂.
Запомни закономерность:
- на холоду кислота вытесняет из пероксида пероксид водорода, а не воду, и степень окисления кислорода −1 сохраняется;
- при нагревании H₂O₂ разлагается, и в продуктах оказываются вода и кислород.
Получение и применение
K₂O₂ получают:
- окислением калия кислородом в контролируемых условиях, например в растворе калия в жидком аммиаке при −30 °C: 2K + O₂ → K₂O₂;
- разложением супероксида при нагревании в вакууме: 2KO₂ → K₂O₂ + O₂↑.
При сгорании калия в кислороде образуется в основном супероксид KO₂, а не пероксид.
Главное применение вытекает из реакции с CO₂. Вещество одновременно поглощает углекислый газ и выделяет кислород, на этом построена регенерация воздуха в замкнутых пространствах.
В изолирующих дыхательных аппаратах чаще применяют супероксид KO₂, но принцип тот же. Если тебе попадётся вопрос о применении, отвечай через эту реакцию.
Разбор задания
Допустим, тебе попалось задание: «Расставьте коэффициенты в уравнении реакции пероксида калия с водой при нагревании, укажите окислитель и восстановитель».
Шаг 1. Определяем степени окисления. В K₂O₂ у кислорода −1, в KOH −2, в O₂ 0.
Шаг 2. Составляем электронный баланс.
- Часть атомов кислорода принимает электроны: O⁻¹ + 1e⁻ → O⁻².
- Другая часть их отдаёт: O⁻¹ − 1e⁻ → O⁰.
Один и тот же элемент в одной степени окисления выступает и окислителем, и восстановителем. Такая реакция называется диспропорционированием.
Шаг 3. Записываем уравнение с коэффициентами: 2K₂O₂ + 2H₂O → 4KOH + O₂↑. Проверь баланс: слева 4 атома калия, 6 кислорода, 4 водорода, справа столько же.
Ответ: окислитель и восстановитель — кислород в степени окисления −1 в составе K₂O₂.
Если в условии сказано «с холодной водой», продукты другие: K₂O₂ + 2H₂O → 2KOH + H₂O₂. Степени окисления в этой реакции не меняются, и окислителя с восстановителем в ней нет.
Ошибки, за которые снимают баллы
Типичные ошибки в этой теме немногочисленны и предсказуемы.
- Кислороду в K₂O₂ ставят степень окисления −2. Проверяй через калий: у щелочного металла в соединениях +1, и на кислород остаётся −1.
- Путают K₂O₂ с оксидом K₂O. K₂O₂ — пероксид, K₂O — оксид. Класс подтверждают состав и степени окисления: в пероксиде кислород −1 и есть ион O₂²⁻, в оксиде кислород −2. Само число атомов кислорода в формуле пероксид не доказывает.
- В реакции с водой не учитывают условия. На холоду образуется H₂O₂, при нагревании — O₂↑. Если записать только KOH, уравнение не уравнять.
- В реакции с разбавленной кислотой на холоду пишут воду вместо пероксида водорода H₂O₂.
- Ошибаются в коэффициентах разложения. Правильная запись с целыми коэффициентами: 2K₂O₂ → 2K₂O + O₂.
Сомневаешься в уравнении? Пересчитай атомы каждого элемента слева и справа: это занимает полминуты.
Шпаргалка
- K₂O₂ — пероксид калия: K в степени окисления +1, O — −1, пероксидный ион O₂²⁻ со связью O−O.
- Свойства: белый или желтоватый порошок, сильный окислитель, гигроскопичен.
- С водой: на холоду K₂O₂ + 2H₂O → 2KOH + H₂O₂; при нагревании 2K₂O₂ + 2H₂O → 4KOH + O₂↑, диспропорционирование кислорода.
- С другими веществами: с кислотами на холоду даёт соль и H₂O₂, с CO₂ — карбонат и O₂, с SO₂ — сульфат.
- Разложение при высокой температуре: 2K₂O₂ → 2K₂O + O₂.
- Отличие от K₂O: в оксиде кислород −2, связи O−O нет.
- Отличие от KO₂: в супероксиде ион O₂⁻ и средняя степень окисления кислорода −1/2.
Проверь себя
Какова степень окисления кислорода в K₂O₂ и почему?
−1: заряд пероксидного иона −2 распределён на два атома.
Какие продукты образуются при реакции K₂O₂ с соляной кислотой?
На холоду — хлорид калия и пероксид водорода.
Почему реакция K₂O₂ с водой при нагревании — диспропорционирование?
Кислород −1 одновременно переходит в −2 и в 0.
Зачем K₂O₂ используют для регенерации воздуха?
Он поглощает CO₂ и выделяет O₂ в одной реакции.
Если ты ответил на все четыре вопроса, не подглядывая в текст, тему можно считать пройденной. Если нет, вернись к таблице реакций и к разделу про степень окисления: на них держится всё остальное.
