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 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.

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.

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

Химический элемент кислород может существовать в виде двух аллотропных модификаций, т.е. образует два простых вещества. Оба этих вещества имеют молекулярное строение. Одно из них имеет формулу O 2 и имеет название кислород, т.е. такое же, как и название химического элемента, которым оно образовано.

Другое простое вещество, образованное кислородом, называется озон. Озон в отличие от кислорода состоит из трехатомных молекул, т.е. имеет формулу O 3 .
Поскольку основной и наиболее распространенной формой кислорода является молекулярный кислород O 2 , прежде всего мы рассмотрим именно его химические свойства.

Химический элемент кислород находится на втором месте по значению электроотрицательности среди всех элементов и уступает лишь фтору. В связи с этим логично предположить высокую активность кислорода и наличие у него практически только окислительных свойств. Действительно, список простых и сложных веществ, с которыми может реагировать кислород огромен. Однако, следует отметить, что поскольку в молекуле кислорода имеет место прочная двойная связь, для осуществления большинства реакций с кислородом требуется прибегать к нагреванию. Чаще всего сильный нагрев требуется в самом начале реакции (поджиг) после чего многие реакции идут далее уже самостоятельно без подвода тепла извне.

Среди простых веществ не окисляются кислородом лишь благородные металлы (Ag, Pt, Au), галогены и инертные газы.

Сера сгорает в кислороде с образованием диоксида серы:

Фосфор в зависимости от избытка или недостатка кислорода может образовать как оксида фосфора (V), так и оксид фосфора (III):

Взаимодействие кислорода с азотом протекает в крайне жестких условиях, в виду того что энергии связи в молекулах кислорода и особенно азота очень велики. Также свой вклад в сложность протекания реакции делает высокая электроотрицательность обоих элементов. Реакция начинается лишь при температуре более 2000 o C и является обратимой:

Не все простые вещества, реагируя с кислородом образуют оксиды. Так, например, натрий, сгорая в кислороде образует пероксид:

а калий – надпероксид:

Чаще всего, при сгорании в кислороде сложных веществ образуется смесь оксидов элементов, которыми было образовано исходное вещество. Так, например:

Однако, при сгорании в кислороде азотсодержащих органических веществ вместо оксида азота образуется молекулярный азот N2. Например:

При сгорании в кислороде хлорпроизводных вместо оксидов хлора образуется хлороводород:

Химические свойства серы

Сера как химический элемент может существовать в нескольких аллотропных модификациях. Различают ромбическую, моноклинную и пластическую серу. Моноклинная сера может быть получена при медленном охлаждении расплава ромбической серы, а пластическая напротив получается при резком охлаждении расплава серы, предварительно доведенного до кипения. Пластическая сера обладает редким для неорганических веществ свойством эластичности – она способна обратимо растягиваться под действием внешнего усилия, возвращаясь в исходную форму при прекращении этого воздействия. Наиболее устойчива в обычных условиях ромбическая сера и все иные аллотропные модификации со временем переходят в нее.

Молекулы ромбической серы состоят из восьми атомов, т.е. ее формулу можно записать как S 8 . Однако, поскольку химические свойства всех модификаций достаточно схожи, чтобы не затруднять запись уравнений реакций любую серу обозначают просто символом S.

Сера может взаимодействовать и с простыми и со сложными веществами. В химических реакциях проявлет как окислительные, так и восстановительные свойства.

Окислительные свойства серы проявляются при ее взаимодействии с металлами, а также неметаллами, образованными атомами менее электроотрицательного элемента (водород, углерод, фосфор):

Как восстановитель сера выступает при взаимодействии с неметаллами, образованными более электроотрицательными элементами (кислород, галогены), а также сложными веществами с ярко выраженной окислительной функцией, например, серной и азотной концентрированной кислотами:

Также сера взаимодействует при кипячении с концентрированными водными растворами щелочей. Взаимодействие протекает по типу диспропорционирования, т.е. сера одновременно и понижает, и повышает свою степень окисления.

КИСЛОРОД (латинский Oxygenium), О, химический элемент VI группы короткой формы (16-й группы длинной формы) периодической системы, относится к халькогенам; атомный номер 8, атомная масса 15,9994. Природный кислород состоит из трёх изотопов: 16 О (99,757%), 17 О (0,038%) и 18 О (0,205%). Преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого 16 О связано с тем, что ядро атома 16 О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. Равное число протонов и нейтронов обусловливает высокую энергию их связи в ядре и наибольшую стабильность ядер 16 О по сравнению с остальными. Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 12-26.

Историческая справка. Кислород получили в 1774 году независимо К. Шееле (путём прокаливания нитратов калия КNО 3 и натрия NaNO 3 , диоксида марганца MnO 2 и других веществ) и Дж. Пристли (при нагревании тетраоксида свинца Pb 3 О 4 и оксида ртути HgO). Позднее, когда было установлено, что кислород входит в состав кислот, А. Лавуазье предложил название oxygène (от греческого όχύς - кислый и γεννάω - рождаю, отсюда и русское название «кислород»).

Распространённость в природе. Кислород - самый распространённый химический элемент на Земле: содержание химически связанного кислорода в гидросфере составляет 85,82% (главным образом в виде воды), в земной коре -49% по массе. Известно более 1400 минералов, в состав которых входит кислород. Среди них преобладают минералы, образованные солями кислородсодержащих кислот (важнейшие классы - карбонаты природные, силикаты природные, сульфаты природные, фосфаты природные), и горные породы на их основе (например, известняк, мрамор), а также различные оксиды природные, гидроксиды природные и горные породы (например, базальт). Молекулярный кислород составляет 20,95% по объёму (23,10% по массе) земной атмосферы. Кислород атмосферы имеет биологическое происхождение и образуется в зелёных растениях, содержащих хлорофилл, из воды и диоксида углерода при фотосинтезе. Количество кислорода, выделяемое растениями, компенсирует количество кислорода, расходуемое в процессах гниения, горения, дыхания.

Кислород - биогенный элемент - входит в состав важнейших классов природных органических соединений (белков, жиров, нуклеиновых кислот, углеводов и др.) и в состав неорганических соединений скелета.

Свойства . Строение внешней электронной оболочки атома кислорода 2s 2 2р 4 ; в соединениях проявляет степени окисления -2, -1, редко +1, +2; электроотрицательность по Полингу 3,44 (наиболее электроотрицательный элемент после фтора); атомный радиус 60 пм; радиус иона О 2 -121 пм (координационное число 2). В газообразном, жидком и твёрдом состояниях кислород существует в виде двухатомных молекул О 2 . Молекулы О 2 парамагнитны. Существует также аллотропная модификация кислорода - озон, состоящая из трёхатомных молекул О 3 .

В основном состоянии атом кислорода имеет чётное число валентных электронов, два из которых не спарены. Поэтому кислород, не имеющий низкой по энергии вакантной d-opбитали, в большинстве химических соединений двухвалентен. В зависимости от характера химической связи и типа кристаллической структуры соединения координационное число кислорода может быть разным: О (атомарный кислород), 1 (например, О 2 , СО 2), 2 (например, Н 2 О, Н 2 О 2), 3 (например, Н 3 О +), 4 (например, оксоацетаты Be и Zn), 6 (например, MgO, CdO), 8 (например, Na 2 О, Cs 2 О). За счёт небольшого радиуса атома кислород способен образовывать прочные π-связи с другими атомами, например с атомами кислорода (О 2 , О 3), углерода, азота, серы, фосфора. Поэтому для кислорода одна двойная связь (494 кДж/моль) энергетически более выгодна, чем две простые (146 кДж/моль).

Парамагнетизм молекул О 2 объясняется наличием двух неспаренных электронов с параллельными спинами на дважды вырожденных разрыхляющих π*-орбиталях. Поскольку на связывающих орбиталях молекулы находится на четыре электрона больше, чем на разрыхляющих, порядок связи в О 2 равен 2, т. е. связь между атомами кислорода двойная. Если при фотохимическом или химическом воздействии на одной π*-орбитали оказываются два электрона с противоположными спинами, возникает первое возбуждённое состояние, по энергии расположенное на 92 кДж/моль выше основного. Если при возбуждении атома кислорода два электрона занимают две разные π*-орбитали и имеют противоположные спины, возникает второе возбуждённое состояние, энергия которого на 155 кДж/моль больше, чем основного. Возбуждение сопровождается увеличением межатомных расстояний О-О: от 120,74 пм в основном состоянии до 121,55 пм для первого и до 122,77 пм для второго возбуждённого состояния, что, в свою очередь, приводит к ослаблению связи О-О и к усилению химической активности кислорода. Оба возбуждённых состояния молекулы О 2 играют важную роль в реакциях окисления в газовой фазе.

Кислород - газ без цвета, запаха и вкуса; t пл -218,3 °С, t кип -182,9 °С, плотность газообразного кислорода 1428,97 кг/дм 3 (при 0 °С и нормальном давлении). Жидкий кислород - бледно-голубая жидкость, твёрдый кислород - синее кристаллическое вещество. При 0 °С теплопроводность 24,65-10 -3 Вт/(мК), молярная теплоёмкость при постоянном давлении 29,27 Дж/(моль·К), диэлектрическая проницаемость газообразного кислорода 1,000547, жидкого 1,491. Кислород плохо растворим в воде (3,1% кислорода по объёму при 20°С), хорошо растворим в некоторых фторорганических растворителях, например перфтордекалине (4500% кислорода по объёму при 0 °С). Значительное количество кислорода растворяют благородные металлы: серебро, золото и платина. Растворимость газа в расплавленном серебре (2200% по объёму при 962 °С) резко понижается с уменьшением температуры, поэтому при охлаждении на воздухе расплав серебра «закипает» и разбрызгивается вследствие интенсивного выделения растворённого кислорода.

Кислород обладает высокой реакционной способностью, сильный окислитель: взаимодействует с большинством простых веществ при нормальных условиях, в основном с образованием соответствующих оксидов (многие реакции, протекающие медленно при комнатной и более низких температурах, при нагревании сопровождаются взрывом и выделением большого количества теплоты). Кислород взаимодействует при нормальных условиях с водородом (образуется вода Н 2 О; смеси кислорода с водородом взрывоопасны - смотри Гремучий газ), при нагревании - с серой (серы диоксид SO 2 и серы триоксид SO 3), углеродом (углерода оксид СО, углерода диоксид СО 2), фосфором (фосфора оксиды), многими металлами (оксиды металлов), особенно легко со щелочными и щёлочноземельными (в основном пероксиды и надпероксиды металлов, например пероксид бария ВаО 2 , надпероксид калия КО 2). С азотом кислород взаимодействует при температуре выше 1200 °С или при воздействии электрического разряда (образуется монооксид азота NO). Соединения кислорода с ксеноном, криптоном, галогенами, золотом и платиной получают косвенным путём. Кислород не образует химических соединений с гелием, неоном и аргоном. Жидкий кислород также является сильным окислителем: пропитанная им вата при поджигании мгновенно сгорает, некоторые летучие органические вещества способны самовоспламеняться, когда находятся на расстоянии нескольких метров от открытого сосуда с жидким кислородом.

Кислород образует три ионные формы, каждая из которых определяет свойства отдельного класса химических соединений: О 2 - супероксидов (формальная степень окисления атома кислорода -0,5), О 2 - - пероксидных соединений (степень окисления атома кислорода -1, например водорода пероксид Н 2 О 2), О 2- - оксидов (степень окисления атома кислорода -2). Положительные степени окисления +1 и +2 кислород проявляет во фторидах О 2 F 2 и OF 2 соответственно. Фториды кислорода неустойчивы, являются сильными окислителями и фторирующими реагентами.

Молекулярный кислород является слабым лигандом и присоединяется к некоторым комплексам Fe, Со, Mn, Cu. Среди таких комплексов наиболее важен железопорфирин, входящий в состав гемоглобина - белка, который осуществляет перенос кислорода в организме теплокровных.

Биологическая роль . Кислород как в свободном виде, так и в составе различных веществ (например, ферментов оксидаз и оксидоредуктаз) принимает участие во всех окислительных процессах, протекающих в живых организмах. В результате выделяется большое количество энергии, расходуемой в процессе жизнедеятельности.

Получение . В промышленных масштабах кислород производят путём сжижения и фракционной перегонки воздуха (смотри в статье Воздуха разделение), а также электролизом воды. В лабораторных условиях кислород получают разложением при нагревании пероксида водорода (2Р 2 О 2 = 2Н 2 О + О 2), оксидов металлов (например, оксида ртути: 2HgO = 2Hg + О 2), солей кислородсодержащих кислот-окислителей (например, хлората калия: 2КlO 3 = 2KCl + 3О 2 , перманганата калия: 2KMnO 4 = К 2 MnO 4 + MnO 2 + О 2), электролизом водного раствора NaOH. Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах, окрашенных в голубой цвет, при давлении 15 и 42 МПа, жидкий кислород - в металлических сосудах Дьюара или в специальных цистернах-танках.

Применение . Технический кислород используют как окислитель в металлургии (смотри, например, Кислородно-конвертерный процесс), при газопламенной обработке металлов (смотри, например, Кислородная резка), в химической промышленности при получении искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, пероксидов металлов и др. Чистый кислород используют в кислородно-дыхательных аппаратах на космических кораблях, подводных лодках, при подъёме на большие высоты, проведении подводных работ, в лечебных целях в медицине (смотри в статье Оксигенотерапия). Жидкий кислород применяют как окислитель ракетных топлив, при взрывных работах. Водные эмульсии растворов газообразного кислорода в некоторых фторорганических растворителях предложено использовать в качестве искусственных кровезаменителей (например, перфторан).

Лит.: Saunders N. Oxygen and the elements of group 16. Oxf., 2003; Дроздов А. А., Зломанов В. П., Мазо Г. Н., Спиридонов Ф. М. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 2; Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 1-2.