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.
Четыре элемента-«халькогена» (т.е. «рождающих медь») возглавляют главную подгруппу VI группы (по новой классификации - 16-ю группу) периодической системы. Кроме серы, теллура и селена к ним также относится кислород. Давайте подробно разберем свойства этого наиболее распространенного на Земле элемента, а также применение и получение кислорода.
Распространенность элемента
В связанном виде кислород входит в химический состав воды - его процентное соотношение составляет порядка 89%, а также в состав клеток всех живых существ - растений и животных.
В воздухе кислород находится в свободном состоянии в виде О2, занимая пятую часть его состава, и в виде озона - О3.
Физические свойства
Кислород О2 представляет собой газ, который не обладает цветом, вкусом и запахом. В воде растворяется слабо. Температура кипения - 183 градуса ниже нуля по Цельсию. В жидком виде кислород имеет голубой цвет, а в твердом виде образует синие кристаллы. Температура плавления кислородных кристаллов составляет 218,7 градуса ниже нуля по Цельсию.
Химические свойства
При нагревании этот элемент реагирует со многими простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, образуя при этом так называемые оксиды - соединения элементов с кислородом. в которую элементы вступают с кислородом, называется окислением.
Например,
4Na + О2= 2Na2O
2. Через разложение перекиси водорода при нагревании ее в присутствии оксида марганца, выступающего в роли катализатора.
3. Через разложение перманганата калия.
Получение кислорода в промышленности проводится такими способами:
1. Для технических целей кислород получают из воздуха, в котором обычное его содержание составляет порядка 20%, т.е. пятую часть. Для этого воздух сначала сжигают, получая смесь с содержанием жидкого кислорода около 54%, жидкого азота - 44% и жидкого аргона - 2%. Затем эти газы разделяют с помощью процесса перегонки, используя сравнительно небольшой интервал между температурами кипения жидкого кислорода и жидкого азота - минус 183 и минус 198,5 градуса соответственно. Получается, что азот испаряется раньше, чем кислород.
Современная аппаратура обеспечивает получение кислорода любой степени чистоты. Азот, который получается при разделении жидкого воздуха, используется в качестве сырья при синтезе его производных.
2. также дает кислород очень чистой степени. Этот способ получил распространение в странах с богатыми ресурсами и дешевой электроэнергией.
Применение кислорода
Кислород является основным по значению элементом в жизнедеятельности всей нашей планеты. Этот газ, который содержится в атмосфере, расходуется в процессе животными и людьми.
Получение кислорода очень важно для таких сфер деятельности человека, как медицина, сварка и резка металлов, взрывные работы, авиация (для дыхания людей и для работы двигателей), металлургия.
В процессе хозяйственной деятельности человека кислород расходуется в больших количествах - например, при сжигании различных видов топлива: природного газа, метана, угля, древесины. Во всех этих процессах образуется При этом природа предусмотрела процесс естественного связывания данного соединения с помощью фотосинтеза, который проходит в зеленых растениях под действием солнечного света. В результате этого процесса образуется глюкоза, которую растение потом расходует для строительства своих тканей.
Кислороду присуща высокая химическая активность. Многие вещества реагируют с кислородом при комнатной температуре. Так, например, свежий срез яблока довольно быстро приобретает бурую окраску, это происходит вследствие химических реакций между органическими веществами, содержащимися в яблоке, и кислородом, содержащимся в воздухе.
С простыми веществами кислород, как правило, реагирует при нагревании. В металлическую ложечку для сжигания веществ поместим уголек, нагреем его в пламени спиртовки докрасна и опустим в сосуд с кислородом. Наблюдаем яркое горение уголька в кислороде. Уголь – простое вещество, образованное элементом углеродом. В реакции кислорода с углеродом образуется углекислый газ:
C + O2 = CO2
Стоит отметить, что многие химические вещества имеют тривиальные названия. Углекислый газ – это тривиальное название вещества. Тривиальные названия веществ используются в повседневной жизни, многие из них имеют давнее происхождение. Например, пищевая сода, бертолетова соль. Однако у каждого химического вещества есть и систематическое химическое название, составление которого регламентируется международными правилами – систематической химической номенклатурой. Так, углекислый газ имеет систематическое название оксид углерода (IV).
Углекислый газ является сложным веществом, бинарным соединением, в состав которого входит кислород.
Поместим в ложечку для сжигания веществ серу и нагреем. Сера плавится, затем загорается. На воздухе сера горит бледным, почти незаметным, синим пламенем. Внесем серу в сосуд с кислородом – сера горит ярким синим пламенем. В реакции серы с кислородом образуется сернистый газ:
S + O2 = SO2
Сернистый газ, как и углекислый газ, относится к группе оксидов. Это оксид серы (IV) – бесцветный газ с резким едким запахом.
Теперь внесем в сосуд с кислородом подожженный красный фосфор. Фосфор горит ярким, ослепительным пламенем. Сосуд заполняется белым дымом. Белый дым – это продукт реакции, мелкие твердые частицы оксида фосфора (V):
4P + 5O2 = 2P2O5
В кислороде способны гореть не только неметаллы. Металлы также энергично взаимодействуют с кислородом. Например, магний горит в кислороде и на воздухе ослепительным белым пламенем. Продукт реакции – оксид магния:
2Mg + O2 = 2MgO
Попробуем сжечь в кислороде железо. Раскалим в пламени спиртовки стальную проволоку и быстро опустим в сосуд с кислородом. Железо горит в кислороде с образованием множества искр. Вещество, полученное в результате реакции, называют железной окалиной:
3Fe + 2O2 = Fe3O4.
Снопы искр, образующихся при горении бенгальского огня, объясняются сгоранием порошка железа, входящего в состав этих пиротехнических изделий.
После рассмотренных реакций можно сделать важные выводы: кислород реагирует как с металлами, так и неметаллами; часто эти реакции сопровождаются горением веществ. Продуктами реакций кислорода с простыми веществами являются оксиды .
Обратите внимание, что при взаимодействии кислорода с простыми веществами – металлами и неметаллами образуются сложные вещества – оксиды. Такой тип химических реакций называют реакциями соединения.
Реакция соединения – реакция, в результате которой из двух или нескольких менее сложных по строению веществ, образуются более сложные по строению вещества
Взаимодействие кислорода со сложными веществами
Кислород способен вступать в реакции и со сложными веществами. В качестве примера рассмотрим реакцию, которая протекает при горении бытового газа, который состоит из метана CH4.
По горению метана в конфорке печи можно сделать выводы, что реакция протекает с выделением энергии в виде тепла и света. Каковы продукты этой реакции?
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.
Продукты реакции оксиды: углекислый газ (оксид углерода (IV)) и вода (оксид водорода).
В реакции кислорода с минералом пиритом FeS2 (важный минерал железа и серы) получают оксиды серы и железа. Реакция происходит при нагревании:
4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3
Окисление – горение и медленное окисление
Горение – это первая химическая реакция, с которой познакомился человек. Огонь… Можно ли представить наше существование без огня? Он вошел в нашу жизнь, стал неотделим от нее. Без огня человек не сварит пищу, сталь, без него невозможно движение транспорта. Огонь стал нашим другом и союзником, символом славных дел, добрых свершений, памятью о минувшем.
С химической точки зрения горение – это химическая реакция, сопровождающаяся выделением потока раскаленных газов и энергии в виде тепла и света. Можно сказать, что кислород, вступая в реакцию с простыми веществами, окисляет их:
Простое вещество + Кислород окисление → Продукты окисления (оксиды) + Энергия.
Окисление веществ может и не сопровождаться горением, то есть выделением пламени. Такие процессы называют медленным окислением. Медленное окисление – процесс постепенного взаимодействия веществ с кислородом, с медленным выделением теплоты, не сопровождающийся горением. Так, например, углекислый газ образуется не только при горении углерода в кислороде, но и при медленном окислении органических веществ кислородом воздуха (гниении, разложении).
- В реакции простых веществ с кислородом, образуются оксиды
- Реакции простых веществ с кислородом протекают, как правило, при нагревании
- Реакции простых веществ с кислородом – это реакции соединения
- Тривиальные названия химических веществ не отражают химического состава веществ, используются в повседневной практике, многие из них сложились исторически
- Систематические названия химических веществ отражают химический состав вещества, соответствуют международной систематической номенклатуре
- Реакция соединения – реакция, в результате которой, из двух или нескольких менее сложных по строению веществ, образуются более сложные по строению вещества
- Кислород способен реагировать со сложными веществами
- Горение – химическая реакция, сопровождающаяся выделением энергии в виде тепла и света
- Медленное окисление – процесс постепенного взаимодействия веществ с кислородом, с медленным выделением теплоты, не сопровождающийся горением
В атоме кислорода 8 электронов, при этом 2 электрона находятся на внутреннем уровне, а 6 электронов
на внешнем. Поэтому в химических реакциях кислород может принимать от доноров до двух электронов, достраивая свою внешнюю оболочку до 8 электронов и образуя избыточный отрицательный заряд (см. также АТОМА СТРОЕНИЕ) . Молекулярный кислород. Как большинство других элементов, у атомов которых для достройки внешней оболочки из 8 электронов не хватает 12 электронов, кислород образует двухатомную молекулу. В этом процессе выделяется много энергии (~ 490 кДж/моль) и соответственно столько же энергии необходимо затратить для обратного процесса диссоциации молекулы на атомы. Прочность связи OO настолько высока, что при 2300 ° С только 1% молекул кислорода диссоциирует на атомы. (Примечательно, что при образовании молекулы азота N 2 прочность связи NN еще выше, ~ 710 кДж/моль.) Электронная структура. В электронной структуре молекулы кислорода не реализуется, как можно было ожидать, распределение электронов октетом вокруг каждого атома, а имеются неспаренные электроны, и кислород проявляет свойства, типичные для такого строения (например, взаимодействует с магнитным полем, являясь парамагнетиком). Реакции. В соответствующих условиях молекулярный кислород реагирует практически с любым элементом, кроме благородных газов. Однако при комнатных условиях только наиболее активные элементы реагируют с кислородом достаточно быстро. Вероятно, большинство реакций протекает только после диссоциации кислорода на атомы, а диссоциация происходит лишь при очень высоких температурах. Однако катализаторы или другие вещества в реагирующей системе могут способствовать диссоциации O 2 . Известно, что щелочные (Li, Na, K) и щелочноземельные (Ca, Sr, Ba) металлы реагируют с молекулярным кислородом с образованием пероксидов: Получение и применение. Благодаря наличию свободного кислорода в атмосфере наиболее эффективным методом его извлечения является сжижение воздуха, из которого удаляют примеси, CO 2 , пыль и т.д. химическими и физическими методами. Циклический процесс включает сжатие, охлаждение и расширение, что и приводит к сжижению воздуха. При медленном подъеме температуры (метод фракционной дистилляции) из жидкого воздуха испаряются сначала благородные газы (наиболее трудно сжижаемые), затем азот и остается жидкий кислород. В результате жидкий кислород содержит следы благородных газов и относительно большой процент азота. Для многих областей применения эти примеси не мешают. Однако для получения кислорода особой чистоты процесс дистилляции необходимо повторять (см. также ВОЗДУХ) . Кислород хранят в танках и баллонах. Он используется в больших количествах как окислитель керосина и других горючих в ракетах и космических аппаратах. Сталелитейная промышленность потребляет газообразный кислород для продувки через расплав чугуна по методу Бессемера для быстрого и эффективного удаления примесей C, S и P. Сталь при кислородном дутье получается быстрее и качественнее, чем при воздушном. Кислород используется также для сварки и резки металлов (кислородно-ацетиленовое пламя). Применяют кислород и в медицине, например, для обогащения дыхательной среды пациентов с затрудненном дыханием. Кислород можно получать различными химическими методами, и некоторые из них применяют для получения малых количеств чистого кислорода в лабораторной практике. Электролиз. Один из методов получения кислорода электролиз воды, содержащей небольшие добавки NaOH или H 2 SO 4 в качестве катализатора: 2H 2 O ® 2H 2 + O 2 . При этом образуются небольшие примеси водорода. С помощью разрядного устройства следы водорода в газовой смеси вновь превращают в воду, пары которой удаляют вымораживанием или адсорбцией. Термическая диссоциация. Важный лабораторный метод получения кислорода, предложенный Дж.Пристли, заключается в термическом разложении оксидов тяжелых металлов: 2HgO ® 2Hg + O 2 . Пристли для этого фокусировал солнечные лучи на порошок оксида ртути. Известным лабораторным методом является также термическая диссоциация оксосолей, например хлората калия в присутствии катализатора диоксида марганца: Диоксид марганца, добавляемый в небольших количествах перед прокаливанием, позволяет поддерживать требуемую температуру и скорость диссоциации, причем сам MnO 2 в процессе не изменяется.Используются также способы термического разложения нитратов:
а также пероксидов некоторых активных металлов, например:
2BaO 2
®
2BaO + O 2
Последний способ одно время широко использовался для извлечения кислорода из атмосферы и заключался в нагревании BaO на воздухе до образования BaO
2
с последующим термическим разложением пероксида. Способ термического разложения сохраняет свое значение для получения пероксида водорода.
|
НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА |
|
| Атомный номер | 8 |
| Атомная масса | 15,9994 |
| Температура плавления, °С | –218,4 |
| Температура кипения, °С | –183,0 |
| Плотность | |
| твердый, г/см 3 (при t пл ) | 1,27 |
| жидкий г/см 3 (при t кип ) | 1,14 |
| газообразный, г/дм 3 (при 0° С) | 1,429 |
| относительная по воздуху | 1,105 |
| критическая а, г/см 3 | 0,430 |
| Критическая температура а , °С | –118,8 |
| Критическое давление а, атм | 49,7 |
| Растворимость, см 3 /100 мл растворителя | |
| в воде (0° С) | 4,89 |
| в воде (100° С) | 1,7 |
| в спирте (25° С) | 2,78 |
| Радиус, Å | 0,74 |
| ковалентный | 0,66 |
| ионный (О 2–) | 1,40 |
| Потенциал ионизации, В | |
| первый | 13,614 |
| второй | 35,146 |
| Электроотрицательность (F = 4) | 3,5 |
| а Температура и давление, при которых плотность газа и жидкости одинаковы. | |
Электронная структура кислорода (1s
2 2s 2 2p 4 ) такова, что атом O принимает для образования устойчивой внешней электронной оболочки два электрона на внешний уровень, образуя ион O 2 . В оксидах щелочных металлов образуется преимущественно ионная связь. Можно полагать, что электроны этих металлов практически целиком оттянуты к кислороду. В оксидах менее активных металлов и неметаллов переход электронов неполный, и плотность отрицательного заряда на кислороде менее выражена, поэтому связь менее ионная или более ковалентная. При окислении металлов кислородом происходит выделение тепла, величина которого коррелирует с прочностью связи MO . При окислении некоторых неметаллов происходит поглощение тепла, что свидетельствует об их менее прочных связях с кислородом. Такие оксиды термически неустойчивы (или менее стабильны, чем оксиды с ионной связью) и часто отличаются высокой химической активностью. В таблице приведены для сравнения значения энтальпий образования оксидов наиболее типичных металлов, переходных металлов и неметаллов, элементов A - и B -подгрупп (знак минус означает выделение тепла).| Реакции | Энтальпии образования, кДж/моль |
| 4Na + O 2 ® 2Na 2 O a | |
| 2Mg + O 2 ® 2MgO | |
| 4Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 | |
| Si + O 2 ® SiO 2 | |
| 4P + 5O 2 ® P 4 O 10 | |
| S + O 2 ® SO 2 | |
| 2Cl 2 + 7O 2 ® 2Cl 2 O 7 | |
| 2Hg + O 2 ® 2HgO | |
| 2Cr + 3O 2 ® 2CrO 3 | |
| 3Fe + 2O 2 ® Fe 3 O 4 | |
| a При нормальных условиях предпочтительнее образование Na 2 O 2 . | |
1. Температуры плавления оксидов щелочных металлов уменьшаются с ростом атомного радиуса металла; так,
t пл (Cs 2 O) t пл (Na 2 O) . Оксиды, в которых преобладает ионная связь, имеют более высокие температуры плавления, чем температуры плавления ковалентных оксидов: t пл (Na 2 O) > t пл (SO 2). 2. Оксиды химически активных металлов (IAIIIA подгрупп) более термически стабильны, чем оксиды переходных металлов и неметаллов. Оксиды тяжелых металлов в высшей степени окисления при термической диссоциации образуют оксиды с более низкими степенями окисления (например, 2Hg 2+ O ® (Hg +) 2 O + 0,5O 2 ® 2Hg 0 + O 2 ). Такие оксиды в высоких степенях окисления могут быть хорошими окислителями. 3. Наиболее активные металлы взаимодействуют с молекулярным кислородом при повышенных температурах с образованием пероксидов: Sr + O 2 ® SrO 2 . 4. Оксиды активных металлов образуют бесцветные растворы, тогда как оксиды большинства переходных металлов окрашены и практически нерастворимы. Водные растворы оксидов металлов проявляют основные свойства и являются гидроксидами, содержащими OH -группы, а оксиды неметаллов в водных растворах образуют кислоты, содержащие ион H + . 5. Металлы и неметаллы A-подгрупп образуют оксиды со степенью окисления, соответствующей номеру группы, например, Na, Be и B образуют Na 1 2 O, Be II O и B 2 III O 3 , а неметаллы IVAVIIA подгрупп C, N, S, Cl образуют C IV O 2 , N V 2 O 5 , S VI O 3 , Cl VII 2 O 7 . Номер группы элемента коррелирует только с максимальной степенью окисления, так как возможны оксиды и с более низкими степенями окисления элементов. В процессах горения соединений типичными продуктами являются оксиды, например: 2H 2 S + 3O 2 ® 2SO 2 + 2H 2 O Углеродсодержащие вещества и углеводороды при слабом нагревании окисляются (сгорают) до CO 2 и H 2 O . Примерами таких веществ являются топлива древесина, нефть, спирты (а также углерод каменный уголь, кокс и древесный уголь ) . Тепло от процесса горения утилизируется на производство пара (а далее электричества или идет на силовые установки), а также на отопление домов. Типичные уравнения для процессов горения таковы:а) древесина (целлюлоза):
(C 6 H 10 O 5) n + 6n O 2 ® 6n CO 2 + 5n H 2 O + тепловая энергияб) нефть или газ (бензин C
8 H 18 или природный газ CH 4):2C 8 H 18 + 25O 2
® 16CO 2 + 18H 2 O + тепловая энергия CH 4 + 2O 2 ® CO 2 + 2H 2 O + тепловая энергия C 2 H 5 OH + 3O 2 ® 2CO 2 + 3H 2 O + тепловая энергияг) углерод (каменный или древесный уголь, кокс):
2C + O 2 ® 2CO + тепловая энергия 2CO + O 2 ® 2CO 2 + тепловая энергияГорению подвержены также ряд C-, H-, N-, O-содержащих соединений с высоким запасом энергии. Кислород для окисления может использоваться не только из атмосферы (как в предыдущих реакциях), но и из самого вещества. Для инициирования реакции достаточно небольшого активирования реакции, например удара или встряски. При этих реакциях продуктами горения также являются оксиды, но все они газообразны и быстро расширяются при высокой конечной температуре процесса. Поэтому такие вещества являются взрывчатыми. Примерами взрывчатых веществ служат тринитроглицерин (или нитроглицерин) C
3 H 5 (NO 3) 3 и тринитротолуол (или ТНТ) C 7 H 5 (NO 2) 3 . См. также ХИМИЧЕСКОЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОРУЖИЕ.Оксиды металлов или неметаллов с низшими степенями окисления элемента реагируют с кислородом с образованием оксидов высоких степеней окисления этого элемента:
Оксиды природные, полученные из руд или синтезированные, служат сырьем для получения многих важных металлов, например, железа из Fe
2 O 3
(гематит) и Fe
3 O 4
(магнетит), алюминия из Al
2 O 3
(глинозем), магния из MgO (магнезия). Оксиды легких металлов используются в химической промышленности для получения щелочей или оснований. Пероксид калия KO
2
находит необычное применение, так как в присутствии влаги и в результате реакции с ней выделяет кислород. Поэтому KO
2
применяют в респираторах для получения кислорода. Влага из выдыхаемого воздуха выделяет в респираторе кислород, а KOH поглощает CO
2
. Получение оксида CaO и гидроксида кальция Ca(OH)
2
многотоннажное производство в технологии керамики и цемента.
Вода (оксид водорода).
Важность воды H
2
O как в лабораторной практике для химических реакций, так и в процессах жизнедеятельности требует особого рассмотрения этого вещества (см. также
ВОДОРОД;
ВОДА, ЛЕД И ПАР)
. Как уже упоминалось, при прямом взаимодействии кислорода и водорода в условиях, например, искрового разряда происходят взрыв и образование воды, при этом выделяется 143 кДж/(моль H
2 O).
Молекула воды имеет почти тетраэдрическое строение, угол HOH равен 104
°
30
ў
. Связи в молекуле частично ионные (30%) и частично ковалентные с высокой плотностью отрицательного заряда у кислорода и соответственно положительных зарядов у водорода:
Из-за высокой прочности связей
HO
водород с трудом отщепляется от кислорода и вода проявляет очень слабые кислотные свойства. Многие свойства воды определяются распределением зарядов. Например, молекула воды образует с ионом металла гидрат:
Одну электронную пару вода отдает акцептору, которым может быть
H + :
Молекулы воды связываются друг с другом в большие агрегаты (H 2 O) x
слабыми водородными связями (энергия связи
~
21 кДж)
Вода в такой системе водородных связей подвергается диссоциации в очень слабой степени, достигающей концентрации 10
7
моль/л. Очевидно, расщепление связи, показанное квадратными скобками, приводит к образованию гидроксид-иона
OH
и иона гидроксония
H 3 O + :
Пероксид водорода.
Другим соединением, состоящим только из водорода и кислорода
,
является пероксид водорода
H 2 O 2
. Название «пероксид» принято для соединений, содержащих связь
OO
. Пероксид водорода имеет строение асимметрично изогнутой цепи:
Пероксид водорода получают по реакции пероксида металла с кислотой
BaO 2 + H 2 SO 4
®
BaSO 4 + H 2 O 2
либо разложением пероксодисерной кислоты
H 2 S 2 O 8
, которую получают электролитически:
Концентрированный раствор
H 2 O 2
может быть получен специальными методами дистилляции. Пероксид водорода используют как окислитель в двигателях ракет. Разбавленные растворы пероксида служат антисептиками, отбеливателями и мягкими окислителями.
H 2 O 2
добавляют ко многим кислотам и оксидам для получения соединений, аналогичных гидратам. В присутствии сильного окислителя (например, MnO
2
или MnO
4 )
H 2 O 2
окисляется, выделяя кислород и воду.
Оксоанионы и оксокатионы
кислородсодержащие частицы, имеющие остаточный отрицательный (оксоанионы) или остаточный положительный (оксокатионы) заряд. Ион
O 2
имеет высокое сродство
(высокую реакционную способность) к положительно заряженным частицам типа
H +
. Простейшим представителем стабильных оксоанионов является гидроксид-ион
OH
. Это объясняет неустойчивость атомов с высокой зарядовой плотностью и их частичную стабилизацию в результате присоединения частицы с положительным зарядом. Поэтому при действии активного металла (или его оксида) на воду образуется
OH
, а не
O 2 :
®
2Na + + 2OH + H 2
или
®
2Na + + 2OH
Более сложные оксоанионы образуются из кислорода с ионом металла или неметаллической частицей, имеющей большой положительный заряд, в результате получается низкозаряженная частица, обладающая большей стабильностью, например:
Озон.
Кроме атомарного кислорода
O
и двухатомной молекулы
O 2
существует третья форма кислорода озон
O 3
, содержащий три
кислородных атома. Все три формы являются аллотропными модификациями. Озон образуется при пропускании тихого электрического разряда через сухой кислород: 3O
2
2O 3 .
При этом образуется несколько процентов озона. Реакция катализируется ионами металлов. Озон имеет острый резкий запах, который можно обнаружить вблизи работающих электрических машин или в окрестности атмосферного электрического разряда. Газ имеет голубоватый цвет и конденсируется при 112
°
С в темноголубую жидкость, а при 193
°
С образуется темнопурпуровая твердая фаза. Жидкий озон слаборастворим в жидком кислороде, а в 100 г воды при 0
°
С растворяется 49 см
3 O 3
. По химическим свойствам озон намного активнее кислорода и по окислительным свойствам уступает только O, F
2
и OF
2
(дифториду кислорода). При обычном окислении образуются оксид и молекулярный кислород
O 2
. При действии озона на активные металлы в особых условиях образуются озониды состава
K + O 3
. Озон получают в промышленности для специальных целей, он является хорошим дезинфицирующим средством и используется для очистки воды и как отбеливатель, улучшает состояние атмосферы в закрытых системах, дезинфицирует предметы и пищу, ускоряет созревание зерна и фруктов. В химической лаборатории часто используют озонатор для получения озона, необходимого для некоторых методов химического анализа и синтеза. Каучук легко разрушается даже под действием малых концентраций озона. В некоторых промышленных городах значительная концентрация озона в воздухе приводит к быстрой порче резиновых изделий, если они не защищены антиоксидантами. Озон очень токсичен. Постоянное вдыхание воздуха даже с очень низкими концентрациями озона вызывает головную боль, тошноту и другие неприятные состояния.
ЛИТЕРАТУРА
Разумовский С.Д. Кислород элементарные формы и свойства
. М., 1979
Термодинамические свойства кислорода . М., 1981
Земная кора на 50% состоит из кислорода. Элемент также присутствует в составе минералов в виде солей и оксидов. Кислород в связанном виде входит в состав (процентное соотношение элемента около 89%). Также кислород присутствует в клетках всех живых организмов и растений. Кислород находится в воздухе в свободном состоянии в виде О₂ и его аллотропной модификации в виде озона О₃, и занимает пятую часть его состава,
Физические и химические свойства кислорода
Кислород О₂ - это газ без цвета, вкуса и запаха. Слабо растворяется в воде, кипит при температуре (-183) °С. Кислород в виде жидкости имеет голубой цвет, в твердом виде элемент образует синие кристаллы. Кислород плавится при температуре (-218,7) °С.
Жидкий кислород при комнатной температуреПри нагревании кислород вступает в реакцию с разными простыми веществами (металлами и неметаллами), образуя в результате оксиды - соединения элементов с кислородом. Взаимодействие химических элементов с кислородом называется реакцией окисления. Примеры уравнений реакции:
4Na + О₂= 2Na₂O
S + О₂ = SO₂.
С кислородом вступают во взаимодействие и некоторые сложные вещества, образуя оксиды:
СН₄ + 2О₂= СО₂ + 2Н₂О
2СО + О₂ = 2СО₂
Кислород как химический элемент получают в лабораториях и на промышленных предприятиях. в лаборатории можно несколькими способами:
- разложением (хлората калия);
- разложением перекиси водорода при нагревании вещества в присутствии оксида марганца в роли катализатора;
- разложением перманганата калия.
Химическая реакция горения кислорода
Чистый кислород не обладает особыми свойствами, которых нет у кислорода воздуха, то есть имеет такие же химические и физические свойства. В воздухе кислорода содержится в 5 раз меньше, чем в таком же объеме чистого кислорода. В воздухе кислород перемешан с большими количествами азота - газа, который не горит сам и не поддерживает горение. Поэтому если около пламени кислород воздуха уже израсходован, то следующая порция кислорода будет пробиваться через азот и продукты горения. Следовательно, более энергичное горение кислорода в атмосфере объясняется более быстрой подачей кислорода к месту горения. В ходе реакции процесс соединения кислорода с горящим веществом осуществляется энергичнее и тепла выделяется больше. Чем больше подавать к горящему веществу кислорода в единицу времени, тем ярче горит пламя, выше температура и сильнее идет процесс горения.
Как происходит реакция горения кислорода? Это можно проверить на опыте. Необходимо взять цилиндр и перевернуть его вверх дном, затем подвести под цилиндр трубку с водородом. Водород, который легче воздуха, полностью заполнит цилиндр. Необходимо зажечь водород около открытой части цилиндра и ввести в него сквозь пламя стеклянную трубку, через которую вытекает газообразный кислород. У конца трубки вспыхнет огонь, при этом пламя будет спокойно гореть внутри наполненного водородом цилиндра. В ходе реакции горит не кислород, а водород в присутствии небольшого количества кислорода, выходящего из трубки.
Что возникает в результате горения водорода и какой при этом образуется окисел? Водород окисляется до воды. На стенках цилиндра постепенно осаждаются капельки конденсированных паров воды. На окисление двух молекул водорода идет одна молекула кислорода, и образуется две молекулы воды. Уравнение реакции:
2Н₂ + O₂ → 2Н₂O
Если кислород вытекает из трубки медленно, он сгорает в атмосфере водорода полностью, и опыт проходит спокойно.
Как только подача кислорода увеличивается настолько, что он не успевает сгореть полностью, его часть уходит за пределы пламени, где образуются очаги смеси водорода с кислородом, появляются отдельные, похожие на взрывы, мелкие вспышки. Смесь кислорода с водородом - это гремучий газ.
При поджигании гремучего газа происходит сильный взрыв: когда кислород соединяется с водородом, образуется вода и развивается высокая температура. Пары воды с окружающими газами сильно расширяются, возникает большое давление, при котором может разорваться не только хрупкий цилиндр, но и более прочный сосуд. Поэтому работать с гремучей смесью необходимо крайне осторожно.
Расход кислорода в процессе горения
Для опыта стеклянный кристаллизатор объемом в 3 литра необходимо заполнить на 2/3 водой и добавить столовую ложку едкого натра или едкого калия. Воду подкрасить фенолфталеином или другим подходящим красителем. В небольшую колбочку насыпать песка и вертикально вставить в него проволоку с закрепленной на конце ватой. Колбочка ставится в кристаллизатор с водой. Вата остается выше поверхности раствора на 10 см.
Слегка смочить ватку спиртом, маслом, гексаном или другой горючей жидкостью и поджечь. Аккуратно накрыть горящую ватку 3-литровым бутылем и опустить его ниже поверхности раствора щелочи. В процессе горения кислород переходит в воду и . В результате реакции раствор щелочи в бутыле поднимается. Ватка скоро гаснет. Бутыль следует осторожно поставить на дно кристаллизатора. В теории бутыль должен заполниться на 1/5, так как в воздухе содержится 20.9 % кислорода. При горении кислород переходит в воду и углекислый газ CO₂, поглощаемый щелочью. Уравнение реакции:
2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O
На практике горение прекратится раньше, чем израсходуется весь кислород; часть кислорода переходит в угарный газ, который не поглощается щелочью, а часть воздуха в результате термического расширения покидает бутыль.
Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!
