Кислород как химический элемент входит в состав. Химические и физические свойства, применение и получение кислорода

§8 Элементы VI А группы.

Кислород, сера, селен, теллур, полоний.

Общие сведения элементов VI А группы:

Элементы VI А группы (кроме полония) называются халькогенидами. На внешнем электронном уровня этих элементов находятся шесть валентных электронов (ns 2 np 4),поэтому они в нормальном состоянии проявляют валентность 2, а в возбужденном -4 или 6 (кроме кислорода). Атом кислорода отличается от атомов других элементов подгруппы отсутствием d-подуровня во внешнем электронном слое, что обуславливает большие энергетические затраты на «распаривание» его электронов, некомпенсируемые энергией образования новых ковалентных связей. Поэтому ковалентность кислорода равна двум. Однако в некоторых случаях атом кислорода, обладающий неподеленными электронными парами, может выступать в качестве донора электронов и образовывать дополнительные ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму.

Электроотрицательность этих элементов постепенно уменьшается в порядке О-S-Se-Те-Ро. Cтепень окисления от -2,+2,+4,+6 . Увеличивается радиус атома, что ослабляет неметаллические свойства элементов.

Элементы этой подгруппы образуют с водородом соединения вида H 2 R (H 2 О,H 2 S,H 2 Se,H 2 Те,H 2 Ро).Эти соединения растворяясь в воде, образуют кислоты. Кислотные свойства увеличиваются в направлении H 2 О→H 2 S→H 2 Se→H 2 Те→H 2 Ро. S,Se и Те образуют с кислородом соединения типа RO 2 и RO 3. Из этих оксидов образуются кислоты типа H 2 RO 3 и H 2 RO 4. С увеличением порядкового номера,силы кислот уменьшаются. Все они имеют окислительные свойства. Кислоты типа H 2 RO 3 проявляют и восстановительные свойства.

Кислород

Природные соединения и получения: Кислород - самый распространенный элемент земной коры. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе (21%); в связанном виде входит в состав воды (88,9%), минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы растений и животных. Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газов, основную часть которой составляют азот и кислород, и небольшое количество благородные газы, углекислый газ и водяные пары. Углекислый газ образуется в природе при горении дерева, угля и других видов топлива, дыхании животных, гниении. В некоторых местах земного шара CO 2 выделяется в воздух вследствие вулканической деятельности, а также из подземных источников.

Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов: 8 16 О(99,75%), 8 17 О(0,04), 8 18 О(0,20). Искусственным путем были также получены изотопы 8 14 О, 8 15 О, 8 19 О.

Кислород был получен впервые в чистом виде К.В.Шееле в 1772 г., а затем в 1774 г. Д.Ю.Пристли, который выделил его из HgO. Однако Пристли не знал, что полученный им газ входит в состав воздуха. Только спустя несколько лет Лавуазье,подробно изучивший свойства этого газа, установил, что он является основной частью воздуха.

В лаборатории кислород получается следующими методами:

Э лектролизом воды. Чтобы увеличить электропроводность воды в нее добавляют раствор щелочи (обычно 30%-ый KOH) или сульфаты щелочных металлов:

В общем виде: 2H 2 О →2H 2 +О 2

На катоде: 4H 2 О+4e¯→ 2H 2 +4OH¯

На аноде: 4OH−4е→2H 2 О+О 2

- Разложением кислородосодержащих соединений:

Термическое разложение Бертолетовой соли под действием катализатора MnO 2.

KClO 3 →2KCl+3О 2

Термическое разложение перманганата калия

KMnO 4 →K 2 MnO 4 +MnO 2 +О 2.

Термическое разложение нитратов щелочных металлов:

2KNO 3 →2KNO 2 +О 2.

Разложением пероксидов:

2H 2 О 2 →2H 2 О+О 2.

2ВаО 2 →2ВаО+О 2.

Термическим разложением оксида ртути (II):

2HgO→2HgO+О 2.

Взаимодействием пероксидов щелочных металлов с оксидом углерода (IV):

2Na 2 О 2 +2CO 2 →2Na 2 CO 3 +О 2.

Термическим разложением хлорной извести в присутствии катализатора - солей кобальта:

2Ca(OCl)Cl →2CaCl 2 +О 2.

Окислением пероксида водорода перманганатом калия в кислой среде:

2KMnO 4 +H 2 SO 4 +5H 2 О 2 →K 2 SO 4 +2Mn SO 4 +8H 2 О+5О 2.

В промышленности: В настоящее время в промышленности кислород получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. При слабом нагревании жидкого воздуха из него сначала отделяется азот (t кип (N 2)=-196ºC), затем выделяется кислород (t кип (О 2)=-183ºС).

Кислород полученный этим способом содержит примеси азота. Поэтому для получения чистого кислорода полученную смесь заново дистиллируют и в конечном итоге получается 99,5% кислород. Кроме того некоторое количество кислорода получают электролизом воды. Электролитом служит 30% раствор KOH.

Кислород обычно хранят в баллонах синего цвета под давлением 15МПа.

Физико-химические свойства: Кислород - газ без цвета, запаха, вкуса, немного тяжелее воздуха, слабо растворяется в воде. Кислород при давлении 0,1 МПа и температуре -183ºС переходит в жидкое состояние, при -219ºС замерзает. В жидком и твердом состоянии притягивается магнитом.

Согласно методу валентных связей строение молекулы кислорода, представленное схемой -:Ö::Ö:, не объясняет большую прочность молекулы, имеющей паромагнитные свойства, то есть неспаренные электроны в нормальном состоянии.

В результате связи электронов двух атомов образуется одна общая электронная пара, после этого неспаренный электрон в каждом атоме образует взаимную связь с неразделенной парой другого атома и между ними образуется трех электронная связь. В возбужденном состоянии молекула кислорода проявляет диамагнитные свойства, которым соответствует строение по схеме:Ö=Ö:,

Для заполнения электронного уровня в атоме кислорода не хватает двух электронов. Поэтому кислород в химических реакциях может легко присоединять два электрона и проявлять степень окисления -2. Кислород только в соединениях с более электроотрицательным элементом фтором проявляет степень окисления +1 и +2: О 2 F 2 ,ОF 2.

Кислород - сильный окислитель. Он не взаимодействует только с тяжелыми инертными газами (Kr,Xe,He,Rn), с золотом и платиной. Оксиды этих элементов образуются другими путями. Кислород входит в реакции горения, окисления как с простыми веществами так и со сложными. При взаимодействии неметаллов с кислородом образуются кислотные или соленеобразующие оксиды, а при взаимодействии металлов образуются амфотерные или смешанные оксиды Так, с фосфором кислород реагирует при температуре ~ 60 °С,

4P+5О 2 → 2Р 2 О 5

С металлами- оксиды соответствующих металлов

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

при нагревании щелочных металлов в сухом воздухе только литии образует оксид Li 2 O, а остальные-пероксиды и супероксиды:

2Na+O 2 →Na 2 O 2 K+O 2 →KO 2

С водородом кислород взаимодействует при 300 °С:

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О.

При взаимодействии с фтором он проявляет восстановительные свойства:

O 2 + F 2 = F 2 O 2 (в электрическом разряде),

с серой - при температуре около 250 °С:

S + О 2 = SO 2 .

С графитом кислород реагирует при 700 °С

С + О 2 = СО 2 .

Взаимодействие кислорода с азотом начинается лишь при 1200°С или в электрическом разряде.

С момента появления химии человечеству стало понятно, что все вокруг состоит из вещества, в состав которого входят химические элементы. Многообразие веществ обеспечивается различными соединениями простых элементов. На сегодня открыто и внесено в периодическую таблицу Д. Менделеева 118 химических элементов. Среди них стоит выделить ряд ведущих, наличие которых определило появление органической жизни на Земле. В этот перечень входят: азот, углерод, кислород, водород, сера и фосфор.

Кислород: история открытия

Все эти элементы, а также ряд других, способствовали развитию эволюции жизни на нашей планете в том виде, в котором мы сейчас наблюдаем. Среди всех компонентов именно кислорода в природе больше остальных элементов.

Кислород как отдельный элемент был открыт 1 августа 1774 года В ходе эксперимента по получению воздуха из окалины ртути путём нагревания при помощи обычной линзы он обнаружил, что свеча горит необычно ярким пламенем.

Долгое время Пристли пытался найти этому разумное объяснение. На тот момент этому явлению было дано название «второй воздух». Несколько ранее изобретатель подводной лодки К. Дреббель в начале XVII века выделил кислород и использовал его для дыхания в своём изобретении. Но его опыты не оказали влияния на понимание того, какую роль играет кислород в природе энергообмена живых организмов. Однако учёным, официально открывшим кислород, признан французский химик Антуан Лоран Лавуазье. Он повторил эксперимент Пристли и понял, что образующийся газ является отдельным элементом.

Кислород взаимодействует практически со всеми простыми и кроме инертных газов и благородных металлов.

Нахождение кислорода в природе

Среди всех элементов нашей планеты наибольшую долю занимает кислород. Распространение кислорода в природе весьма разнообразно. Он присутствует как в связанном виде, так и в свободном. Как правило, являясь сильным окислителем, он пребывает в связанном состоянии. Нахождение кислорода в природе как отдельного несвязанного элемента зафиксировано только в атмосфере планеты.

Содержится в виде газа и представляет собой соединение двух атомов кислорода. Составляет около 21 % от общего объёма атмосферы.

Кислород в воздухе, кроме обычной своей формы, имеет изотропную форму в виде озона. состоит из трёх атомов кислорода. Голубой цвет неба непосредственно связан с наличием этого соединения в верхних слоях атмосферы. Благодаря озону, жёсткое коротковолновое излучение от нашего Солнца поглощается и не попадает на поверхность.

В случае отсутствия озонового слоя органическая жизнь была бы уничтожена, подобно поджаренной еде в микроволновой печи.

В гидросфере нашей планеты этот элемент находится в связанном виде с двумя и образует воду. Доля содержания кислорода в океанах, морях, реках и подземных водах оценивается около 86- 89 %, с учётом растворенных солей.

В земной коре кислород находится в связанном виде и является наиболее распространённым элементом. Его доля составляет около 47 %. Нахождение кислорода в природе не ограничивается оболочками планеты, этот элемент входит в состав всех органических существ. Его доля в среднем достигает 67 % от общей массы всех элементов.

Кислород - основа жизни

Из-за высокой окислительной активности кислород достаточно легко соединяется с большинством элементов и веществ, образуя оксиды. Высокая окислительная способность элемента обеспечивает всем известный процесс горения. Кислород также участвует в процессах медленного окисления.

Роль кислорода в природе как сильного окислителя незаменима в процессе жизнедеятельности живых организмов. Благодаря этому химическому процессу происходит окисление веществ с выделением энергии. Её живые организмы используют для своей жизнедеятельности.

Растения - источник кислорода в атмосфере

На начальном этапе образования атмосферы на нашей планете существующий кислород находился в связанном состоянии, в виде двуокиси углерода (углекислый газ). Со временем появились растения, способные поглощать углекислый газ.

Данный процесс стал возможен благодаря возникновению фотосинтеза. Со временем, в ходе жизнедеятельности растений, за миллионы лет в атмосфере Земли накопилось большое количество свободного кислорода.

По мнению учёных, в прошлом его массовая доля достигала порядка 30 %, в полтора раза больше, чем сейчас. Растения, как в прошлом, так и сейчас, существенно повлияли на круговорот кислорода в природе, обеспечив тем самым разнообразную флору и фауну нашей планеты.

Значение кислорода в природе не просто огромно, а первостепенно. Система метаболизма животного мира чётко опирается на наличие кислорода в атмосфере. При его отсутствии жизнь становится невозможной в том виде, в котором мы знаем. Среди обитателей планеты останутся только анаэробные (способные жить без наличия кислорода) организмы.

Интенсивный в природе обеспечен тем, что он находится в трёх агрегатных состояниях в объединении с другими элементами. Будучи сильным окислителем, он очень легко переходит из свободной формы в связанную. И только благодаря растениям, которые путём фотосинтеза расщепляют углекислый газ, он имеется в свободной форме.

Процесс дыхания животных и насекомых основан на получении несвязанного кислорода для окислительно-восстановительных реакций с последующим получением энергии для обеспечения жизнедеятельности организма. Нахождение кислорода в природе, связанного и свободного, обеспечивает полноценную жизнедеятельность всего живого на планете.

Эволюция и «химия» планеты

Эволюция жизни на планете опиралась на особенности состава атмосферы Земли, состава минералов и наличия воды в жидком состоянии.

Химический состав коры, атмосферы и наличие воды стали основой зарождения жизни на планете и определили направление эволюции живых организмов.

Опираясь на имеющуюся «химию» планеты, эволюция пришла к углеродной органической жизни на основе воды как растворителя химических веществ, а также использовании кислорода как окислителя с целью получения энергии.

Иная эволюция

На данном этапе современная наука не опровергает возможность жизни в иных средах, отличных от земных условий, где за основу построения органической молекулы может быть взят кремний или мышьяк. А среда жидкости, как растворителя, может представлять собой смесь жидкого аммиака с гелием. Что касается атмосферы, то она может быть представлена в виде газообразного водорода с примесью гелия и других газов.

Какие метаболические процессы могут быть при таких условиях, современная наука пока не в состоянии смоделировать. Однако такое направление эволюции жизни вполне допустимо. Как доказывает время, человечество постоянно сталкивается с расширением границ нашего понимания окружающего мира и жизни в нем.

Элементы, расположенные в главной подгруппе VI группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Рассмотрение атомных структур элементов главной подгруппы VI группы показывает, что все они имеют шестиэлектронную структуру внешнего слоя (табл. 13) и в связи с этим обладают сравнительно высокими значениями электроотрицательности. Наибольшей электроотрицательностью обладает , наименьшей - , что объясняется изменением величины атомного радиуса. Особое место кислорода в этой группе подчеркивается тем, что , и теллур могут непосредственно соединяться с кислородом, но не могут соединяться между собой.

Элементы группы кислорода также принадлежат к числу р -элементов, так как у них достраивается р -оболочка. Для всех элементов семейства, кроме самого кислорода, валентными являются 6 электронов внешнего слоя.
В окислительно-восстановительных реакциях элементы группы кислорода часто проявляют окислительные свойства. Наиболее сильно окислительные свойства выражены у кислорода.
Для всех элементов главной подгруппы VI группы характерна отрицательная степень окисления -2. Однако для серы, селена и теллура наряду с этим возможны и положительные степени окисления (максимальная +6).
Молекула кислорода, как всякого простого газа, двухатомна, построена по типу ковалентной связи, образованной посредством двух электронных пар. Следовательно, кислород двухвалентен при образовании простого .
Сера - твердое вещество. В состав молекулы входит 8 атомов серы (S8), но они соединены в своеобразное кольцо, в котором каждый атом серы соединен лишь с двумя соседними атомами ковалентной связью

Таким образом, каждый атом серы, имея с двумя соседними атомами по одной общей электронной паре, сам по себе является двухвалентным. Сходные молекулы образуют селен (Se8) и теллур (Te8).

■ 1. Составьте рассказ о группе кислорода по следующему плану: а) положение в периодической системе; б) заряды ядер и. число нейтронов в ядре; в) электронные конфигурации; г) структура кристаллической решетки; д) возможные степени окисления кислорода и всех остальных элементов этой группы.
2. В чем сходство и различие атомных структур и электронных конфигураций атомов элементов главных подгрупп VI и VII групп?
3. Сколько валентных электронов имеется у элементов главной подгруппы VI группы?
4. Как должны себя вести элементы главной подгруппы VI группы в окислительно-восстановительных реакциях?
5. Какой из элементов главной подгруппы VI группы является наиболее электроотрицательным?

При рассмотрении элементов главной подгруппы VI группы мы впервые встречаемся с явлением аллотропии. Один и тот же элемент в свободном состоянии может образовывать два или несколько простых веществ. Такое явление называется аллотропией, а сами называются аллотропными видоизменениями.

Запишите эту формулировку в тетрадь.

Например, элемент кислород способен образовывать два простых - кислород и озон.
Формула простого кислорода O2, формула простого вещества озона O3. Построены их молекулы по разному:

Кислород и озон - аллотропные видоизменения элемента кислорода.
Сера также может образовывать несколько аллотропных видоизменений (модификаций). Известна ромбическая (октаэдрическая), пластическая и моноклиническая сера. Селен и теллур также образуют несколько аллотропных видоизменений. Следует заметить, что явление аллотропии характерно для многих элементов. Различия в свойствах разных аллотропных видоизменений мы рассмотрим при изучении элементов.

■ 6. В чем отличие структуры молекулы кислорода от структуры молекулы озона?

7. Какого типа связь в молекулах кислорода и озона?

Кислород. Физические свойства, физиологическое действие, значение кислорода в природе

Кислород - наиболее легкий элемент главной подгруппы VI группы. Атомный вес кислорода 15,994. 31,988. Атом кислорода имеет самый малый радиус из элементов этой подгруппы (0,6 Å). Электронная конфигурация атома кислорода: ls 2 2s 2 2p 4 .

Распределение электронов по орбиталям второго слоя указывает на , что кислород имеет на р-орбиталях два непарных электрона, которые могут быть легко использованы на образование химической связи между атомами. Характерная степень окисления кислорода.
Кислород представляет собой газ, не имеющий цвета и запаха. Он тяжелее воздуха, при температуре -183° превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре -219° затвердевает.

Плотность кислорода равна 1,43 г/л. Кислород плохо растворим в воде: в 100 объемах воды при 0° растворяются 3 объема кислорода. Поэтому кислород можно держать в газометре (рис. 34) - приборе для хранения газов, нерастворимых и малорастворимых в воде. Чаще всего в газометре хранят кислород.
Газометр состоит из двух главных частей: сосуда 1, служащего для хранения газа, и большой воронки 2 с краном и с длинной трубкой, доходящей почти до дна сосуда 1 и служащей для подачи воды в прибор. Сосуд 1 имеет три тубуса: в тубус 3 с притертой внутренней поверхностью вставляют, воронку 2 с краном, в тубус 4 вставляют газоотводную трубку, снабженную краном; тубус 5 внизу служит для выпуска воды из прибора при его зарядке и разрядке. В заряженном газометре сосуд 1 заполнен кислородом. На дне сосуда находится , в которую опущен конец трубки воронки 2.

Рис. 34.
1 - сосуд для хранения газа; 2 - воронка для подачи воды; 3 - тубус с притертой поверхностью; 4 - тубус для выведения газа; 5 - тубус для выпуска воды при зарядке аппарата.

Если нужно получить из газометра кислород, сначала открывают кран воронки, и слегка сжимает кислород, находящийся в газометре. Затем открывают кран на газоотводной трубке, через который выходит кислород, вытесняемый водой.

В промышленности кислород хранят в стальных баллонах в сжатом состоянии (рис. 35, а), или в жидком виде в кислородных «танках» (рис. 36).

Рис. 35. Кислородный баллон

Выпишите из текста названия приборов, предназначенных для хранения кислорода.
Кислород является наиболее распространенным элементом. Он составляет почти 50% веса всей земной коры (рис. 37). Человеческий организм содержит 65% кислорода, входящего в состав различных органических веществ, из которых построены ткани и органы. В воде около 89% кислорода. В атмосфере на кислород приходится 23% по весу и 21% по объему. Кислород входит в состав самых разнообразных горных пород (например, известняка, мела, мрамора CaCO3, песка SiO2), руд различных металлов (магнитного железняка Fe3O4, бурого железняка 2Fe2O3 · nH2O, красного железняка Fe2O3, боксита Аl2O3 · nН2O и т. д.). Кислород входит в состав большинства органических веществ.

Физиологическое значение кислорода огромно. Это единственный газ, который живые организмы могут использовать для дыхания. Отсутствие кислорода вызывает остановку жизненных процессов и гибель организма. Без кислорода человек может прожить всего несколько минут. При дыхании поглощается кислород, который принимает участие в окислительно-восстановительных процессах, происходящих в организме, а выделяются продукты окисления органических веществ - , двуокись углерода и другие вещества. Как наземные, так и водные живые организмы дышат кислородом: наземные - свободным кислородом атмосферы, а водные - кислородом, растворенным в воде.
В природе происходит своеобразный круговорот кислорода. Кислород из атмосферы поглощается животными, растениями, человеком, расходуется на процессы горения топлива, гниение и прочие окислительные процессы. Двуокись углерода и вода, образующиеся в процессе окисления, потребляются зелеными растениями, в которых с помощью хлорофилла листьев и солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза, т. е. синтеза органических веществ из двуокиси углерода и воды, сопровождающегося выделением кислорода.
Для обеспечения кислородом одного человека нужны кроны двух больших деревьев. Зеленые растения поддерживают постоянный состав атмосферы.

■ 8. Каково значение кислорода в жизни живых организмов?
9. Как пополняется запас кислорода в атмосфере?

Химические свойства кислорода

Свободный кислород, вступая в реакции с простыми и сложными веществами, ведет себя обычно как .

Рис. 37.

Степень окисления, которую он приобретает при этом, всегда -2. В непосредственное взаимодействие с кислородом вступают многие элементы, за исключением благородных металлов, элементов с близкими к кислороду значениями электроотрицательности () и инертных элементов.
В результате соединения кислорода с простыми и сложными веществами образуются . Многие горят в кислороде, хотя на воздухе либо не горят, либо горят очень слабо. сгорает в кислороде ярко-желтым пламенем; при этом образуется перекись натрия (рис. 38):
2Na + O2 =Na2O2,
Сера горит в кислороде ярко-голубым пламенем с образованием сернистого ангидрида:
S + O2 = SO2
Древесный уголь на воздухе едва тлеет, а в кислороде сильно раскаляется и сгорает с образованием двуокиси углерода (рис. 39):
С + O2 = СO2

Рис. 36.

Горит в кислороде белым, ослепительно ярким пламенем, причем образуется твердая белая пятиокись фосфора:
4Р + 5O2 = 2Р2O5
горит в кислороде, разбрасывая искры и образуя железную окалину (рис. 40).
Горят в кислороде и органические вещества, например метан СН4, входящий состав природного газа: СH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
Горение в чистом кислороде происходит гораздо интенсивнее, чем на воздухе, и позволяет получить Значительно более высокие температурь. Это явление используют для интенсификации ряда химических процессов и более эффективного сжигания топлива.
В процессе дыхания кислород, соединяясь с гемоглобином крови, образует оксигемоглобин, который, являясь весьма нестойким соединением, легко разлагается в тканях с образованием свободного кислорода, идущего на окисление. Гниение, также являются окислительными процессами, протекающими с участием кислорода.
Распознают чистый кислород, внося в сосуд, где предполагается его наличие, тлеющую лучинку. Она ярко вспыхивает - это и является качественной пробой на кислород.

■ 10. Каким образом, имея в своем распоряжении лучинку, можно распознать находящиеся в разных сосудах кислород, двуокись углерода? 11. Какой объем кислорода пойдет на сжигание 2 кг каменного угля, содержащего в сечем составе 70% углерода, 5% водорода, 7% , кислорода, остальное- негорючие компоненты?

Рис. 38. Горение натрия Рис. 39. Горение угля Рис. 40. Горение железа в кислороде.

12. Хватит ли 10 л кислорода для сжигания 5 г фосфора?
13. 1 м3 газовой смеси, содержащей 40% окиси углерода, 20% азота, 30% водорода н 10% двуокиси углерода сожгли в кислороде. Какой объем кислорода был израсходован?
14. Можно ли сушить кислород, пропуская его через: а) серную кислоту, б) хлорид кальция, в) фосфорный ангидрид, г) металлический ?
15. Как освободить двуокись углерода от примеси кислорода и наоборот, как освободить кислород от примеси двуокиси углерода?
16. 20 л кислорода, содержащего примесь двуокиси углерода пропустили через 200 мл 0,1 н. раствора бария. В результате катион Ва 2+ был полностью осажден. Сколько двуокиси углерода (в процентах) содержал исходный кислород?

Получение кислорода

Получают кислород несколькими способами. В лаборатории кислород получают из Кислородсодержащих веществ, которые могут легко его отщеплять, например из перманганата калия КМnO4 (рис. 41) или из бертолетовой соли КСlO3:
2КМnО4 = K2MnO4 + МnО2 + O2

2КСlO3 = 2КСl + O2
При получении кислорода из бертолетовой соли для ускорения реакции должен присутствовать катализатор - двуокись марганца. Катализатор ускоряет разложение и делает его более равномерным. Без катализатора может

Рис. 41. Прибор для получения кислорода лабораторный способом из перманганата калия. 1 - перманганат калия; 2 - кислород; 3 - вата; 4 - цилиндр - сборник.

произойти взрыв, если бертолетова соль взята в большом количестве и особенно если она загрязнена органическими веществами.
Из перекиси водорода кислород получают также в присутствии катализатора - двуокиси марганца МnО2 по уравнению:
2Н2O2[МnО2] = 2Н2O + О2

■ 17. Зачем при разложении бертолетовой соли добавляют МnО2?
18. Образующийся при разложении КМnO4 кислород можно собирать над водой. Отразите это в схеме прибора.
19. Иногда при отсутствии в лаборатории двуокиси марганца вместо нее в бертолетову соль добавляют немного остатка после прокаливания перманганата калия. Почему возможна такая замена?
20. Какой объем кислорода выделится при разложении 5 молей бертолетовой соли?

Кислород может быть получен также разложением Нитратов при нагревании выше температуры плавления:
2KNO3 = 2KNO2 + О2
В промышленности кислород получают в основном из жидкого воздуха. Переведенный в жидкое состояние воздух подвергают испарению. Сначала улетучивается (его температура кипения - 195,8°), а кислород остается (его температура кипения -183°). Этим способом кислород получается почти в чистом виде.
Иногда при наличии дешевой электроэнергии кислород получают электролизом воды:
Н2O ⇄ Н + + OН —
Н + + е — → Н 0
на катоде
2ОН — — е — → H2O + О; 2О = О2
на аноде

■ 21. Перечислите известные вам лабораторные и промышленные способы получения кислорода. Запищите их в тетрадь, сопровождая каждый способ уравнением реакции.
22. Являются ли реакции, используемые для получения кислорода, окислительно-восстановительными? Дайте обоснованный ответ.
23. Взято по 10 г следующих веществ; перманганата калия, бертолетовой соли, нитрата калия. В каком случае удастся получить наибольший объем кислорода?
24. В кислороде, полученном при нагревании 20 г перманганата калия, сожгли 1 г угля. Какой процент перманганата подвергся разложению?

Кислород - самый распространенный элемент в природе. Он широко применяется в медицине, химии, промышленности и т. д. (рис. 42).

Рис. 42. Применение кислорода.

Летчики на больших высотах, люди, работающие в атмосфере вредных газов, занятые на подземных и подводных работах, пользуются кислородными приборами (рис. 43).

В тех случаях, когда затруднено вследствие того или иного заболевания, человеку дают дышать чистым кислородом из кислородной подушки или помещают его в кислородную палатку.
В настоящее время для интенсификации металлургических процессов широко применяют воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород. Кислородно-водородная и кислородно-ацетиленовая горелки применяются для сварки и резки металлов. Пропитывая жидким кислородом горючие вещества: древесные опилки, угольный порошок и пр., получают взрывчатые смеси, называемые оксиликвитами.

■ 25. Начертите таблицу в тетради и заполните её.

Озон О3

Как уже говорилось, элемент кислород может образовывать еще одно аллотропное видоизменение - озон О3. Озон кипит при -111°, а затвердевает при -250°. В газообразном состоянии он голубого цвета, в жидком - синего. озона в воде гораздо выше, чем кислорода: в 100 объемах воды растворяется 45 объемов озона.

Озон отличается от кислорода тем, что его молекула состоит из трех, а не двух атомов. В связи с этим молекула кислорода намного более стойкая, чем молекула озона. Озон легко распадается по уравнению:
О3 = О2 + [O]

Выделение атомарного кислорода при распаде озона делает его гораздо более сильным окислителем, чем кислород. Озон имеет запах-свежести («озон» в переводе значит «пахучий»). В природе он образуется под действием тихого электрического разряда и в сосновых лесах. Больным с заболеванием легких рекомендуется больше бывать в сосновых лесах. Однако продолжительное пребывание в атмосфере, сильно обогащенной озоном, может оказать отравляющее действие на организм. Отравление сопровождается головокружением, тошнотой, кровотечением из носа. При хрони-ческих отравлениях могут возникнуть сердечные заболевания.
В лаборатории озон получают из кислорода в озонаторах (рис. 44). В стеклянную трубку 1, обмотанную сна- ружи проволокой 2, пропускают кислород. Внутри трубки проходит проволока 3. Обе эти проволоки: соединены с полюсами источника тока, создающего на указанных электродах высокое напряжение. Между электродами происходит тихий электрический разряд, благодаря чему из кислорода образуется озон.

Рис 44; Озонатор. 1 - стеклянный баллон; 2 - наружная обмотка; 3 -проволока внутри трубки; 4 - раствор йодида калия с крахмалом

3О2 = 2О3
Озон является очень сильным окислителем. Он значительно энергичнее, чем кислород, вступает в реакции и вообще намного активнее кислорода. Например, в отличие от кислорода он может вытеснить из йодистого водорода или йодистых солей:
2KI + О3 + Н2О = 2КОН + I2 + O2

Озона в атмосфере очень мало (около одной миллионной доли процента), но он играет существенную, роль в поглощении ультрафиолетовых солнечных лучей, по-этому они попадают на землю в меньшем количестве и не оказывают губительного действия на живые организмы.
Применяется озон в небольшом количестве главным образом для кондиционирования воздуха, а также в химии.

■ 26. Что такое аллотропные видоизменения?
27. Почему йодкрахмальная бумага синеет под действием озона? Дайте обоснованный ответ.
28. Почему молекула кислорода значительно устойчивее молекулы озона? Обоснуйте свой ответ с точки зрения внутримолекулярной структуры.

Одним из важнейших элементов на нашей планете является кислород. Химические свойства этого вещества позволяют ему участвовать в биологических процессах, а повышенная активность делает кислород значимым участником всех известных химических реакций. В свободном состоянии это вещество имеется в атмосфере. В связанном состоянии кислород входит в состав минералов, горных пород, сложных веществ, из которых состоят различные живые организмы. Общее количество кислорода на Земле оценивается в 47% общей массы нашей планеты.

Обозначение кислорода

В периодической системе кислород занимает восьмую ячейку этой таблицы. Его международное название oxigenium. В химических записях он обозначается латинской литерой «О». В естественной среде атомарный кислород не встречается, его частички соединяются, образуя парные молекулы газа, молекулярная масса которого равна 32 г/моль.

Воздух и кислород

Воздух представляет смесь нескольких распространенных на Земле газов. Больше всего в воздушной массе азота - 78,2% по объему и 75,5 % по массе. Кислород занимает лишь второе место по объему - 20,9%, а по массе - 23,2%. Третье место закреплено за благородными газами. Остальные примеси - углекислый газ, водяной пар, пыль и прочее - занимают лишь доли процента в общей воздушной массе.

Вся масса естественного кислорода является смесью трех изотопов - 16 О, 17 О, 18 О. Процентное содержание этих изотопов в общей массе кислорода равно 99,76%, 0,04% и 0,2% соответственно.

Физические и химические свойства кислорода

Один литр воздуха при нормальных условиях весит 1,293 г. При понижении температуры до -140⁰С воздух становится бесцветной прозрачной жидкостью. Несмотря на низкую температуру кипения воздух можно сохранять в жидком состоянии даже при комнатной температуре. Для этого жидкость нужно поместить в так называемый сосуд Дьюара. Погружение в жидкий кислород коренным образом меняет обычные свойства предметов.

Кислород растворяется в воде, хотя и в небольших количествах - морская вода содержит 3-5% кислорода. Но даже такое небольшое количество этого газа положило начало существованию рыб, моллюсков и различных морских организмов, которые получают кислород из воды для поддержания процессов собственного жизнеобеспечения.

Строение атома кислорода

Описанные свойства кислорода в первую очередь объясняются внутренним строением этого элемента.

Кислород относится к главной подгруппе шестой группы элементов периодической системы. Во внешнем электронном облаке элемента находятся шесть электронов, четыре из которых занимают p-орбитали, а оставшиеся два располагаются на s-орбиталях. Такое внутреннее строение обуславливает большие энергетические затраты, направленные на разрывание электронных связей - атому кислорода проще заимствовать два недостающих электрона на внешнюю орбиталь, чем отдать свои шесть. Поэтому ковалентность кислорода в большинстве случаев равна двум. Благодаря двум свободным электронам кислород легко образует двухатомные молекулы, которые характеризуются высокой прочностью связи. Лишь при прилагаемой энергии свыше 498 Дж/моль молекулы распадаются, и образуется атомарный кислород. Химические свойства этого элемента позволяют ему вступать в реакции со всеми известными веществами, исключая гелий, неон и аргон. Скорость взаимодействия зависит от температуры реакции и от природы вещества.

Химические свойства кислорода

С различными веществами кислород вступает в реакции образования оксидов, причем эти реакции характерны и для металлов, и для неметаллов. Соединения кислорода с металлами называют основными оксидами - классическим примером служит оксид магния и оксид кальция. Взаимодействие оксидов металлов с водой приводит к образованию гидроксидов, подтверждающих активные химические свойства кислорода. С неметаллами это вещество образует кислотные оксиды - например, триоксид серы SO 3. При взаимодействии этого элемента с водой получается серная кислота.

Химическая активность

С подавляющим большинством элементов кислород взаимодействует непосредственно. Исключение составляют золото, галогены и платина. Взаимодействие кислорода с некоторыми веществами значительно ускоряется при наличии катализаторов. Например, смесь водорода и кислорода в присутствии платины вступает в реакцию даже при комнатной температуре. С оглушительным взрывом смесь превращается в обычную воду, важной составной частью которой является кислород. Химические свойства и высокая активность элемента объясняют выделение большого количества света и теплоты, поэтому химические реакции с кислородом часто называются горением.

Горение в чистом кислороде происходит гораздо интенсивнее, чем в воздухе, хотя количество теплоты, выделяемой при реакции, будет приблизительно одинаковым, но процесс из-за отсутствия азота протекает гораздо быстрее, а температура горения становится выше.

Получение кислорода

В 1774 году английский ученый Д. Пристли выделил неизвестный газ из реакции разложения оксида ртути. Но ученый не связал выделенный газ с уже известным веществом, входящим в состав воздуха. Лишь несколько лет спустя великий Лавуазье изучил физико-химические свойства кислорода, полученного в данной реакции, и доказал его идентичность с газом, входящим в состав воздуха. В современном мире кислород получают из воздуха. В лабораториях использую промышленный кислород, который поставляется баллонами под давлением около 15 Мпа. Чистый кислород можно получить и в лабораторных условиях, стандартным способом его получения является термическое разложение перманганата калия, которое протекает по формуле:

Получение озона

Если через кислород или воздух пропустить электричество, то в атмосфере появится характерный запах, предвещающий появление нового вещества - озона. Озон можно получить и из химически чистого кислорода. Образование этого вещества можно выразить формулой:

Данная реакция самостоятельно протекать не может - для ее успешного завершения необходима внешняя энергия. Зато обратное превращение озона в кислород происходит самопроизвольно. Химические свойства кислорода и озона разнятся во многом. Озон отличается от кислорода плотностью, температурой плавления и кипения. При нормальных условиях этот газ имеет голубой цвет и обладает характерным запахом. Озон обладает большей электропроводностью и лучше растворяется в воде, чем кислород. Химические свойства озона объясняются процессом его распада - при разложении молекулы этого вещества образуется двухатомная молекула кислорода плюс один свободный атом этого элемента, который агрессивно реагирует с другими веществами. Например, известна реакция взаимодействия озона и кислорода: 6Ag+O 3 =3Ag 2 O

А вот обычный кислород не соединяется с серебром даже при высокой температуре.

В природе активный распад озона чреват образованием так называемых озоновых дыр, которые подвергают угрозе жизненные процессы на нашей планете.

Кислород находится во втором периоде VI-ой главной группы устаревшего короткого варианта периодической таблицы. По новым стандартам нумерации — это 16-я группа. Соответствующее решение принято ИЮПАК в 1988 году. Формула кислорода как простого вещества — О 2 . Рассмотрим его основные свойства, роль в природе и хозяйстве. Начнем с характеристики всей группы периодической системы, которую возглавляет кислород. Элемент отличается от родственных ему халькогенов, а вода отличается от водородных селена и теллура. Объяснение всем отличительным чертам можно найти, только узнав о строении и свойствах атома.

Халькогены — родственные кислороду элементы

Сходные по свойствам атомы образуют одну группу в периодической системе. Кислород возглавляет семейство халькогенов, но отличается от них по ряду свойств.

Атомная масса кислорода — родоначальника группы — составляет 16 а. е. м. Халькогены при образовании соединений с водородом и металлами проявляют свою обычную степень окисления: -2. Например, в составе воды (Н 2 О) окислительное число кислорода равно -2.

Состав типичных водородных соединений халькогенов отвечает общей формуле: Н 2 R. При растворении этих веществ образуются кислоты. Только водородное соединение кислорода — вода — обладает особыми свойствами. Согласно выводам ученых, это необычное вещество является и очень слабой кислотой, и очень слабым основанием.

Сера, селен и теллур имеют типичные положительные степени окисления (+4, +6) в соединениях с кислородом и другими неметаллами, обладающими высокой электроотрицательностью (ЭО). Состав оксидов халькогенов отражают общие формулы: RO 2 , RO 3 . Соответствующие им кислоты имеют состав: H 2 RO 3 , H 2 RO 4 .

Элементам соответствуют простые вещества: кислород, сера, селен, теллур и полоний. Первые три представителя проявляют неметаллические свойства. Формула кислорода — О 2 . Аллотропное видоизменение того же элемента - озон (О 3) . Обе модификации являются газами. Сера и селен — твердые неметаллы. Теллур — металлоидное вещество, проводник электрического тока, полоний — металл.

Кислород — самый распространенный элемент

Мы уже знаем, что есть другая разновидность существования того же самого химического элемента в форме простого вещества. Это озон — газ, образующий на высоте около 30 км от поверхности земли слой, часто называемый озоновым экраном. Связанный кислород входит в молекулы воды, в состав многих горных пород и минералов, органических соединений.

Строение атома кислорода

Периодическая таблица Менделеева содержит полную информацию о кислороде:

1. Порядковый номер элемента — 8.
2. Заряд ядра — +8.
3. Общее число электронов — 8.
4. Электронная формула кислорода — 1s 2 2s 2 2p 4 .

В природе встречаются три стабильных изотопа, которые имеют одинаковый порядковый номер в таблице Менделеева, идентичный состав протонов и электронов, но разное число нейтронов. Обозначаются изотопы одним и тем же символом — О. Для сравнения приведем схему, отражающую состав трех изотопов кислорода:

Свойства кислорода — химического элемента

На 2р-подуровне атома имеются два неспаренных электрона, что объясняет появление степеней окисления -2 и +2. Два спаренных электрона не могут разъединиться, чтобы степень окисления возросла до +4, как у серы и других халькогенов. Причина — отсутствие свободного подуровня. Поэтому в соединениях химический элемент кислород не проявляет валентность и степень окисления, равные номеру группы в коротком варианте периодической системы (6). Обычное для него окислительное число равно -2.

Только в соединениях с фтором кислород проявляет нехарактерную для него положительную степень окисления +2. Значение ЭО двух сильных неметаллов отличается: ЭО (О) = 3,5; ЭО (F) = 4. Как более электроотрицательный химический элемент, фтор сильнее удерживает свои электроны и притягивает валентные частицы на атома кислорода. Поэтому в реакции с фтором кислород является восстановителем, отдает электроны.

Кислород — простое вещество

Английский исследователь Д. Пристли в 1774 году в ходе опытов выделил газ при разложении оксида ртути. Двумя годами ранее это же вещество в чистом виде получил К. Шееле. Лишь спустя несколько лет французский химик А. Лавуазье установил, что за газ входит в состав воздуха, изучил свойства. Химическая формула кислорода — О 2 . Отразим в записи состава вещества электроны, участвующие в образовании неполярной ковалентной связи — О::О. Заменим каждую связывающую электронную пару одной чертой: О=О. Такая формула кислорода наглядно показывает, что атомы в молекуле связаны между двумя общими парами электронов.

Выполним несложные расчеты и определим, чему равна относительная молекулярная масса кислорода: Mr(O 2) = Ar(O) х 2 = 16 х 2 = 32. Для сравнения: Mr(возд.) = 29. Химическая формула кислорода отличается от на один атом кислорода. Значит, Mr(O 3) = Ar(O) х 3 = 48. Озон в 1,5 раза тяжелее кислорода.

Физические свойства

Кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха (при обычной температуре и давлении, равном атмосферному). Вещество немного тяжелее воздуха; растворяется в воде, но в небольших количествах. Температура плавления кислорода является отрицательной величиной и составляет -218,3 °C. Точка, в которой жидкий кислород вновь превращается в газообразный, — это его температура кипения. Для молекул О 2 значение этой физической величины достигает -182,96 °C. В жидком и твердом состоянии кислород приобретает светло-синюю окраску.

Получение кислорода в лаборатории

При нагревании кислородосодержащих веществ, например перманганата калия, выделяется бесцветный газ, который можно собрать в колбу или пробирку. Если внести в чистый кислород зажженную лучину, то она горит более ярко, чем в воздухе. Два других лабораторных способа получения кислорода - разложение пероксида водорода и хлората калия (бертолетовой соли). Рассмотрим схему прибора, который применяется для термического разложения.

В пробирку или круглодонную колбу надо насыпать немного бертолетовой соли, закрыть пробкой с газоотводной трубочкой. Ее противоположный конец следует направить (под водой) в опрокинутую вверх дном колбу. Горлышко должно быть опущено в широкий стакан или кристаллизатор, наполненный водой. При нагревании пробирки с бертолетовой солью выделяется кислород. По газоотводной трубке он поступает в колбу, вытесняя из нее воду. Когда колба наполнится газом, ее закрывают под водой пробкой и переворачивают. Полученный в этом лабораторном опыте кислород можно использовать для изучения химических свойств простого вещества.

Горение

Если в лаборатории проводится сжигание веществ в кислороде, то нужно знать и соблюдать противопожарные правила. Водород мгновенно сгорает в воздухе, а смешанный с кислородом в соотношении 2:1, он взрывоопасен. Горение веществ в чистом кислороде происходит намного интенсивнее, чем в воздухе. Объясняется это явление составом воздуха. Кислород в атмосфере составляет чуть больше 1/5 части (21%). Горение — это реакция веществ с кислородом, в результате которой образуются разные продукты, в основном оксиды металлов и неметаллов. Пожароопасны смеси О 2 с горючими веществами, кроме того, получившиеся соединения могут быть токсичными.

Горение обычной свечки (или спички) сопровождается образованием диоксида углерода. Следующий опыт можно провести в домашних условиях. Если сжигать вещество под стеклянной банкой или большим стаканом, то горение прекратится, как только израсходуется весь кислород. Азот не поддерживает дыхание и горение. Углекислый газ — продукт окисления — больше не вступает в реакцию с кислородом. Прозрачная позволяет обнаружить присутствие после горения свечи. Если пропускать продукты горения через гидроксид кальция, то раствор мутнеет. Происходит химическая реакция между известковой водой и углекислым газом, получается нерастворимый карбонат кальция.

Получение кислорода в промышленных масштабах

Самый дешевый процесс, в результате которого получаются свободные от воздуха молекулы О 2 , не связан с проведением химических реакций. В промышленности, скажем, на металлургических комбинатах, воздух при низкой температуре и высоком давлении сжижают. Такие важнейшие компоненты атмосферы, как азот и кислород, кипят при разных температурах. Разделяют воздушную смесь при постепенном нагревании до обычной температуры. Сначала выделяются молекулы азота, затем кислорода. Способ разделения основан на разных физических свойствах простых веществ. Формула простого вещества кислорода такая же, как была до охлаждения и сжижения воздуха, — О 2 .

В результате некоторых реакций электролиза тоже выделяется кислород, его собирают над соответствующим электродом. Газ нужен промышленным, строительным предприятиям в больших объемах. Потребности в кислороде постоянно растут, особенно нуждается в нем химическая промышленность. Хранят полученный газ для производственных и медицинских целей в стальных баллонах, снабженных маркировкой. Емкости с кислородом окрашивают в синий или голубой цвет, чтобы отличать от других сжиженных газов — азота, метана, аммиака.

Химические расчеты по формуле и уравнениям реакций с участием молекул О 2

Численное значение молярной массы кислорода совпадает с другой величиной — относительной молекулярной массой. Только в первом случае присутствуют единицы измерения. Коротко формула вещества кислорода и его молярной массы должна быть записана так: М(О 2) = 32 г/моль. При нормальных условиях молю любого газа соответствует объем 22,4 л. Значит, 1 моль О 2 — это 22,4 л вещества, 2 моль О 2 — 44,8 л. По уравнению реакции между кислородом и водородом можно заметить, что взаимодействуют 2 моля водорода и 1 моль кислорода:

Если в реакции участвует 1 моль водорода, то объем кислорода составит 0,5 моль. 22,4 л/моль = 11,2 л.

Роль молекул О 2 в природе и жизни человека

Кислород потребляется живыми организмами на Земле и участвует в круговороте веществ свыше 3 млрд лет. Это главное вещество для дыхания и метаболизма, с его помощью происходит разложение молекул питательных веществ, синтезируется необходимая для организмов энергия. Кислород постоянно расходуется на Земле, но его запасы пополняются благодаря фотосинтезу. Русский ученый К. Тимирязев считал, что благодаря именно этому процессу до сих пор существует жизнь на нашей планете.

Велика роль кислорода в природе и хозяйстве:

• поглощается в процессе дыхания живыми организмами;
• участвует в реакциях фотосинтеза в растениях;
• входит в состав органических молекул;
• процессы гниения, брожения, ржавления протекают при участии кислорода, выступающего в качестве окислителя;
• используется для получения ценных продуктов органического синтеза.

Сжиженный кислород в баллонах используют для резки и сварки металлов при высоких температурах. Эти процессы проводят на машиностроительных заводах, на транспортных и строительных предприятиях. Для проведения работ под водой, под землей, на большой высоте в безвоздушном пространстве люди тоже нуждаются в молекулах О 2 . применяются в медицине для обогащения состава воздуха, вдыхаемого больными людьми. Газ для медицинских целей отличается от технического практически полным отсутствием посторонних примесей, запаха.

Кислород — идеальный окислитель

Известны соединения кислорода со всеми химическими элементами таблицы Менделеева, кроме первых представителей семейства благородных газов. Многие вещества непосредственно вступают в реакции с атомами О, исключая галогены, золото и платину. Большое значение имеют явления с участием кислорода, которые сопровождаются выделением света и тепла. Такие процессы широко используются в быту, промышленности. В металлургии взаимодействие руд с кислородом называют обжигом. Предварительно измельченную руду смешивают с воздухом, обогащенным кислородом. При высоких температурах происходит восстановление металлов из сульфидов до простых веществ. Так получают железо и некоторые цветные металлы. Присутствие чистого кислорода повышает скорость технологических процессов в разных отраслях химии, технике и металлургии.

Появление дешевого способа получения кислорода из воздуха методом разделения на компоненты при низкой температуре стимулировало развитие многих направлений промышленного производства. Химики считают молекулы О 2 и атомы О идеальными окислительными агентами. Это естественные материалы, они постоянно возобновляются в природе, не загрязняют окружающую среду. Кроме того, химические реакции с участием кислорода чаще всего завершаются синтезом еще одного натурального и безопасного продукта — воды. Велика роль О 2 в обезвреживании токсичных производственных отходов, очистке воды от загрязнений. Кроме кислорода, для обеззараживания используется его аллотропная модификация — озон. Это простое вещество обладает высокой окислительной активностью. При озонировании воды разлагаются загрязняющие вещества. Озон также губительно действует на болезнетворную микрофлору.