Введение
Каждый день мы вдыхаем такой необходимый нам воздух. А вы никогда не задумывались о том, из чего, точнее из каких веществ, состоит воздух? Больше всего в нем азота (78%), далее идет кислород (21%) и инертные газы (1%). Хоть кислород и не составляет самую основную часть воздуха, но без него атмосфера была бы непригодной для жизни. Благодаря ему на Земле существует жизнь, ведь азот и вместе и по отдельности губительны для человека. Давайте рассмотрим свойства кислорода.
Физические свойства кислорода
В воздухе кислород просто так не различишь, так как в обычных условиях он является газом без вкуса, цвета и запаха. Но кислород можно искусственным путем перевести в другие агрегатные состояния. Так, при -183 о С он становится жидким, а при -219 о С твердеет. Но твердый и жидкий кислород может получить только человек, а в природе он существует лишь в газообразном состоянии. выглядит так (фото). А твердый похож на лед.
Физические свойства кислорода - это еще и строение молекулы простого вещества. Атомы кислорода образуют два таких вещества: кислород (О 2) и озон (О 3). Ниже показана модель молекулы кислорода.
Кислород. Химические свойства
Первое, с чего начинается химическая характеристика элемента - его положение в периодической системе Д. И. Менделеева. Итак, кислород находится во 2 периоде 6 группе главной подгруппе под номером 8. Его атомная масса - 16 а.е.м, он является неметаллом.
В неорганической химии его бинарные соединения с другими элементами объединили в отдельный - оксиды. Кислород может образовывать химические соединения как с металлами, так и с неметаллами.
Поговорим о его получении в лабораториях.
Химическим путем кислород можно получить с помощью разложения перманганата калия, пероксида водорода, бертолетовой соли, нитратов активных металлов и оксидов тяжелых металлов. Рассмотрим уравнения реакций при применении каждого из этих способов.
1. Электролиз воды:
Н 2 О 2 = Н 2 О + О 2
5. Разложение оксидов тяжелых металлов (например, оксида ртути):
2HgO = 2Hg + O 2
6. Разложение нитратов активных металлов (например, нитрата натрия):
2NaNO 3 = 2NaNO 2 + O 2
Применение кислорода
С химическими свойствами мы закончили. Теперь пора поговорить о применении кислорода в жизни человека. Он нужен для сжигания топлива в электрических и тепловых станциях. Его используют для получения стали из чугуна и металлолома, для сварки и резки металла. Кислород нужен для масок пожарных, для баллонов водолазов, применяется в черной и цветной металлурги и даже в изготовлении взрывчатых веществ. Также в пищевой промышленности кислород известен как пищевая добавка Е948. Кажется, нет отрасли, где бы он не использовался, но самую важную роль он играет в медицине. Там он так и называется - "кислород медицинский". Для того чтобы кислород был пригоден для использования, его предварительно сжимают. Физические свойства кислорода способствуют тому, что его можно сжать. В подобном виде он хранится внутри баллонов, похожих на такие.
Его используют в реанимации и на операциях в аппаратуре для поддержания жизненных процессов в организме больного пациента, а также при лечении некоторых болезней: декомпрессионной, патологий желудочно-кишечного тракта. С его помощью врачи каждый день спасают множество жизней. Химические и физические свойства кислорода способствуют тому, что его используют так широко.
§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.
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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Кислород – элемент второго периода VIA группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 8. Символ – О.
Атомная масса – 16 а.е.м. Молекула кислорода двухатомна и имеет формулу – О 2
Кислород относится к семейству p-элементов. Электронная конфигурация атома кислорода 1s 2 2s 2 2p 4 . В своих соединениях кислород способен проявлять несколько степеней окисления: «-2», «-1» (в пероксидах), «+2» (F 2 O). Для кислорода характерно проявление явления аллотропии – существования в виде нескольких простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропные модификации кислорода – кислород O 2 и озон O 3 .
Химические свойства кислорода
Кислород является сильным окислителем, т.к. для завершения внешнего электронного уровня ему не хватает всего 2-х электронов, и он легко их присоединяет. По химической активности кислород уступает только фтору. Кислород образует соединения со всеми элементами кроме гелия, неона и аргона. Непосредственно кислород нее вступает в реакции взаимодействия с галогенами, серебром, золотом и платиной (их соединения получают косвенным путем). Почти все реакции с участием кислорода – экзотермические. Характерная особенность многих реакций соединения с кислородом — выделение большого количества теплоты и света. Такие процессы называют горением.
Взаимодействие кислорода с металлами. Со щелочными металлами (кроме лития) кислород образует пероксиды или надпероксиды, с остальными – оксиды. Например:
4Li + O 2 = 2Li 2 O;
2Na + O 2 = Na 2 O 2 ;
K + O 2 = KO 2 ;
2Ca + O 2 = 2CaO;
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 ;
2Cu + O 2 = 2CuO;
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 .
Взаимодействие кислорода с неметаллами. Взаимодействие кислорода с неметаллами протекает при нагревании; все реакции экзотермичны, за исключением взаимодействия с азотом (реакция эндотермическая, происходит при 3000С в электрической дуге, в природе – при грозовом разряде). Например:
4P + 5O 2 = 2P 2 O 5 ;
С + O 2 = СО 2 ;
2Н 2 + O 2 = 2Н 2 О;
N 2 + O 2 ↔ 2NO – Q.
Взаимодействие со сложными неорганическими веществами. При горении сложных веществ в избытке кислорода образуются оксиды соответствующих элементов:
2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O (t);
4NH 3 + 3O 2 = 2N 2 + 6H 2 O (t);
4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O (t, kat);
2PH 3 + 4O 2 = 2H 3 PO 4 (t);
SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O;
4FeS 2 +11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8 SO 2 (t).
Кислород способен окислять оксиды и гидроксиды до соединений с более высокой степенью окисления:
2CO + O 2 = 2CO 2 (t);
2SO 2 + O 2 = 2SO 3 (t, V 2 O 5);
2NO + O 2 = 2NO 2 ;
4FeO + O 2 = 2Fe 2 O 3 (t).
Взаимодействие со сложными органическими веществами. Практически все органические вещества горят, окисляясь кислородом воздуха до углекислого газа и воды:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 +H 2 O.
Кроме реакций горения (полное окисление) возможны также реакции неполного или каталитического окисления, в этом случае продуктами реакции могут быть спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и другие вещества:
Окисление углеводов, белков и жиров служит источником энергии в живом организме.
Физические свойства кислорода
Кислород – самый распространенный элемент на земле (47% по массе). В воздухе содержание кислорода составляет 21% по объему. Кислород – составная часть воды, минералов, органических веществ. В растительных и животных тканях содержится 50 -85 % кислорода в виде различных соединений.
В свободном состоянии кислород представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, плохо растворимый в воде (в 100 л воды при 20С растворяется 3 л кислорода. Жидкий кислород голубого цвета, обладает парамагнитными свойствами (втягивается в магнитное поле).
Получение кислорода
Различают промышленные и лабораторные способы получения кислорода. Так, в промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха, а к основным лабораторным способам получения кислорода относят реакции термического разложения сложных веществ:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
4K 2 Cr 2 O 7 = 4K 2 CrO 4 + 2Cr 2 O 3 +3 O 2
2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2
2KClO 3 = 2KCl +3 O 2
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При разложении 95 г оксида ртути (II) образовалось 4,48 л кислорода (н.у.). Вычислите долю разложившегося оксида ртути (II) (в мас. %). |
| Решение |
Запишем уравнение реакции разложения оксида ртути (II):
2HgO = 2Hg + O 2 . Зная объем выделившегося кислорода, найдем его количество вещества:
Согласно уравнению реакции n(HgO):n(O 2) = 2:1, следовательно, n(HgO) = 2×n(O 2) = 0,4 моль. Вычислим массу разложившегося оксида. Количество вещества связано с массой вещества соотношением: Молярная масса (молекулярная масса одного моль) оксида ртути (II), рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 217 г/моль. Тогда масса оксида ртути (II) равна: m (HgO) = n (HgO) ×M (HgO) = 0,4×217 = 86,8 г. Определим массовую долю разложившегося оксида: |
моль.