Кислоро́д - элемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 8. Обозначается символом O (лат. Oxygenium). Кислород - химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород (CAS-номер: 7782-44-7) при нормальных условиях - газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O 2), в связи с чем его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон (CAS-номер: 10028-15-6) - при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O 3).
История открытия
Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).
2HgO (t) → 2Hg + O 2
Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.
Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.
Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Петра Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория. Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожженных элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.
Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.
Происхождение названия
Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр. oxygène), предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς - «кислый» и γεννάω - «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его - «кислота», ранее подразумевавшим окислы, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.
Получение
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода, является криогенная ректификация. Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.
В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.
Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO 4:
2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
Также используют реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н 2 О 2:
2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2
Катализатором является диоксид марганца (MnO 2) или кусочек сырых овощей (в них содержатся ферменты, ускоряющие разложение пероксида водорода).
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO 3:
2KClO 3 → 2KCl + 3O 2
К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей.
Физические свойства
При нормальных условиях кислород - это газ без цвета, вкуса и запаха.
1 л его имеет массу 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100г при 0 °C, 2,09 мл/100г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O 2 в 1 объёме Ag при 961 °C). Является парамагнетиком.
При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000 °C - 0,03 %, при 2600 °C - 1 %, 4000 °C - 59 %, 6000 °C - 99,5 %.
Жидкий кислород (темп. кипения −182,98 °C) - это бледно-голубая жидкость.
Твёрдый кислород (темп. плавления −218,79 °C) - синие кристаллы.
Содержание статьи
КИСЛОРОД, O (oxygenium), химический элемент VIA подгруппы периодической системы элементов: O, S, Se, Te, Po – член семейства халькогенов. Это наиболее распространенный в природе элемент, его содержание составляет в атмосфере Земли 21% (об.), в земной коре в виде соединений ок. 50% (масс.) и в гидросфере 88,8% (масс.).
Кислород необходим для существования жизни на земле: животные и растения потребляют кислород в процессе дыхания, а растения выделяют кислород в процессе фотосинтеза. Живая материя содержит связанный кислород не только в составе жидкостей организма (в клетках крови и др.), но и в составе углеводов (сахар, целлюлоза, крахмал, гликоген), жиров и белков. Глины, горные породы состоят из силикатов и других кислородсодержащих неорганических соединений, таких, как оксиды, гидроксиды, карбонаты, сульфаты и нитраты.
Историческая справка.
Первые сведения о кислороде стали известны в Европе из китайских рукописей 8 в. В начале 16 в. Леонардо да Винчи опубликовал данные, связанные с химией кислорода, не зная еще, что кислород – элемент. Реакции присоединения кислорода описаны в научных трудах С.Гейлса (1731) и П.Байена (1774). Заслуживают особого внимания исследования К.Шееле в 1771–1773 взаимодействия металлов и фосфора с кислородом. Дж.Пристли сообщил об открытии кислорода как элемента в 1774, спустя несколько месяцев после сообщения Байена о реакциях с воздухом. Название oxygenium («кислород») дано этому элементу вскоре после его открытия Пристли и происходит от греческих слов, обозначающих «рождающий кислоту»; это связано с ошибочным представлением о том, что кислород присутствует во всех кислотах. Объяснение роли кислорода в процессах дыхания и горения, однако, принадлежит А.Лавуазье (1777).
Строение атома.
Любой природный атом кислорода содержит 8 протонов в ядре, но число нейтронов может быть равно 8, 9 или 10. Наиболее распространенный из трех изотопов кислорода (99,76%) – это 16 8 O (8 протонов и 8 нейтронов). Содержание другого изотопа, 18 8 O (8 протонов и 10 нейтронов), составляет всего 0,2%. Этот изотоп используется как метка или для идентификации некоторых молекул, а также для проведения биохимических и медико-химических исследований (метод изучения нерадиоактивных следов). Третий нерадиоактивный изотоп кислорода 17 8 O (0,04%) содержит 9 нейтронов и имеет массовое число 17. После того как в 1961 масса изотопа углерода 12 6 C была принята Международной комиссией за стандартную атомную массу, средневзвешенная атомная масса кислорода стала равна 15,9994. До 1961 стандартной единицей атомной массы химики считали атомную массу кислорода, принятую для смеси трех природных изотопов кислорода равной 16,000. Физики за стандартную единицу атомной массы принимали массовое число изотопа кислорода 16 8 O, поэтому по физической шкале средняя атомная масса кислорода составляла 16,0044 .
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 .
Молекулярный кислород.
Как большинство других элементов, у атомов которых для достройки внешней оболочки из 8 электронов не хватает 1–2 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 O–O настолько высока, что при 2300° С только 1% молекул кислорода диссоциирует на атомы. (Примечательно, что при образовании молекулы азота N 2 прочность связи N–N 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. 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. | |
Физические свойства.
Кислород при нормальных условиях – бесцветный газ без запаха и вкуса. Жидкий кислород имеет бледно-голубой цвет. Твердый кислород существует по крайней мере в трех кристаллических модификациях. Газообразный кислород растворим в воде и, вероятно, образует непрочные соединения типа O 2 Ч H 2 O, а возможно, и O 2 Ч 2H 2 O.
Химические свойства.
Как уже упоминалось, химическая активность кислорода определяется его способностью диссоциировать на атомы O, которые и отличаются высокой реакционной способностью. Только наиболее активные металлы и минералы реагируют с O 2 c высокой скоростью при низких температурах. Наиболее активные щелочные (IA подгруппы) и некоторые щелочноземельные (IIA подгруппы) металлы образуют с O 2 пероксиды типа NaO 2 и BaO 2 . Другие же элементы и соединения реагируют только с продуктом диссоциации O 2 . В подходящих условиях все элементы, исключая благородные газы и металлы Pt, Ag, Au, реагируют с кислородом. Эти металлы тоже образуют оксиды, но при особых условиях.
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 M–O. 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).
О свойствах оксидов можно сделать несколько общих выводов:
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 (IA–IIIA 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 IVA–VIIA 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 энергия
б) 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 энергия
г) углерод (каменный или древесный уголь, кокс):
2C + O 2 ® 2CO + тепловая энергия
2CO + O 2 ® 2CO 2 + тепловая энергия
Горению 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 .
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 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 H–O–H равен 104° 30ў . 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 H–O 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 + :
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 + 2H 2 O ® 2Na + + 2OH – + H 2
Na 2 O + H 2 O ® 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:
° 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.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.
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 озона:Озон является более сильным окислителем, чем кислород. Обусловлено это тем, что одна из кислород-кислородных связей в молекуле озона легко рвется и в результате образуется чрезвычайно активный атомарный кислород. Озон в отличие от кислорода не требует для проявления своих высоких окислительных свойств нагревания. Он проявляет свою активность при обычной и даже низкой температурах: PbS + 4O 3 = PbSO 4 + 4O 2 Как было сказано выше, серебро с кислородом не реагирует, однако, реагирует с озоном: 2Ag + O 3 = Ag 2 O + O 2 Качественной реакцией на наличие озона является то, что при пропускании исследуемого газа через раствор иодида калия наблюдается образование йода: 2KI + O 3 + H 2 O = I 2 ↓ + O 2 + 2KOH |
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.
Кислоро́д - элемент 16-й группы (по устаревшей классификации - главной подгруппы VI группы), второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 8. Обозначается символом O . Кислород - химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород при нормальных условиях - газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород]. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например - при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3).
Нахождение в природе.природный кислород состоит из 3 стабильных изотопов о16,о17,о18.
Кислород в виде простого вещества о2 входит в состав атмосферного воздуха.=21% В связанном виде элемент кислорода составная часть воды различных минералов многих орг веществ.
ПОЛУЧЕНИЕ. В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация. Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.
В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.
Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO4:
2KMNO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2
Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н2О2 в присутствии оксида марганца(IV):
2H2O2 =MnO2=2H2O + O2
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:
2KClO3 = 2KCl + 3O2
К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей, а также разложение оксида ртути(II) (при t = 100 °C):
На подводных лодках обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:
2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2
ХИМИЧЕСКИЕ СВ_ВА. Сильный окислитель, взаимодействует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:
4Li + O2 = 2Li2O
Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:
Окисляет большинство органических соединений:
CH3CH2OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O
При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:
CH3CH2OH +O2 = CH3COOH + H2O
Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au иинертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором (см. ниже #фториды кислорода).
Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.
Например, пероксиды получаются при сгорании щелочных металлов в кислороде:
2Na + O2 = Na2O2
Некоторые оксиды поглощают кислород:
2BaO + O2 = 2BaO2
По теории горения, разработанной А. Н. Бахом и К. О. Энглером, окисление происходит в две стадии с образованием промежуточного пероксидного соединения. Это промежуточное соединение можно выделить, например, при охлаждении пламени горящего водорода льдом, наряду с водой, образуется пероксид водорода:
В надпероксидах кислород формально имеет степень окисления −½, то есть один электрон на два атома кислорода (ион O−2). Получают взаимодействием пероксидов с кислородом при повышенных давлении и температуре:
Na2O2 + O2 = 2NaO2
Калий K, рубидий Rb и цезий Cs реагируют с кислородом с образованием надпероксидов:
Неорганические озониды содержат ион O−3 со степенью окисления кислорода, формально равной −1/3. Получают действием озона на гидроксиды щелочных металлов:
2KOH + 3O3 = 2KO3 + H2O +2O2
В ионе диоксигенила O2+ кислород имеет формально степень окисления +½. Получают по реакции:
PtF6 +O2 = O2PtF6
Фториды кислорода Дифторид кислорода, OF2 степень окисления кислорода +2, получают пропусканием фтора через раствор щелочи:
2F2 + 2NaOH = 2NaF + H2O + OF2
Монофторид кислорода (Диоксидифторид), O2F2, нестабилен, степень окисления кислорода +1. Получают из смеси фтора с кислородом в тлеющем разряде при температуре −196 C:
Пропуская тлеющий разряд через смесь фтора с кислородом при определённых давлении и температуре, получают смеси высших фторидов кислорода O3F2, О4F2, О5F2 и О6F2.
Квантовомеханические расчёты предсказывают устойчивое существование иона трифторгидроксония (англ.) OF3+. Если этот ион действительно существует, то степень окисления кислорода в нём будет равна +4.
Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.
В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O2 и O3 (озон). Как установили в 1899 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, под воздействием ионизирующего излучения O2 переходит в O3 ОЗОН. Озо́н - состоящая из трёхатомных молекул O3аллотропная модификация кислорода. При нормальных условиях - голубой газ. При сжижении превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие, практически чёрные кристаллы.
ХИМ.СВ-ВА Озонa - мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины ииридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.
2Cu2+ + 2H3O+ + O3 = 2Cu3+ + 3H2O + O2
Озон повышает степень окисления оксидов:
NO + O3 =NO2 + O2
Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией. Диоксид азота может быть окислен до азотного ангидрида:
2NO2 + O3 = N2O5 + O2
Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием диоксида углерода:
2C +2O3 = 2CO2 + O2
Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:
2NH3 + 4O3 = NH4NO3 + 4O2 + H2O
Озон реагирует с водородом с образованием воды и кислорода:
O3 + H2 = O2 + H2O
Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:
PbS + 4O3 = PbSO4 + 4O2
С помощью озона можно получить Серную кислоту как из элементарной серы, так и из диоксида серы:
S + H2O + O3 = H2SO4
3SO2 + 3H2O + O3 = 3H2SO4
Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции хлорида олова с соляной кислотой и озоном:
3SnCl2 + 6HCl + O3 = 3SnCl4 + 3H2O
В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси серы:
H2S + O3 = SO2 + H2O
В водном растворе проходят две конкурирующие реакции с сероводородом, одна с образованием элементарной серы, другая с образованием серной кислоты:
H2S + O3 = S + O2 + H2O
3H2S + 4O3 = 3H2SO4
Обработкой озоном раствора иода в холодной безводной хлорной кислоте может быть получен перхлорат иода(III):
I2 + 6HClO4 +O3 = 2I(ClO4)3 + 3H2O
Твёрдый нитрилперхлорат может быть получен реакцией газообразных NO2, ClO2 и O3:
2NO2 + 2ClO2 + 2O2 = 2NO2ClO4 + O2
Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры горения выше, чем с двухатомным кислородом:
3C3N2 + 4O3 = 12CO + 3N2
Озон может вступать в химические реакции и при низких температурах. При 77 K (-196 °C), атомарный водород взаимодействует с озоном с образованием супероксидного радикала с димеризацией последнего:
H + O3 = HO2 . + O
2HO2 . = H2O2 +O2
Озон может образовывать неорганические озониды, содержащие анион O3−. Эти соединения взрывоопасны и могут храниться только при низких температурах. Известны озониды всех щелочных металлов (кроме франция). KO3, RbO3, и CsO3 могут быть получены из соответствующих супероксидов:
KO2 + O3 = KO3 + O2
Озонид калия может быть получен и другим путём из гидроксида калия:
2KOH + 5O3 = 2KO3 + 5O2 + H2O
NaO3 и LiO3 могут быть получены действием CsO3 в жидком аммиаке NH3 на ионообменные смолы, содержащие ионы Na+ или Li+:
CsO3 + Na+ = Cs+ + NaO3
Обработка озоном раствора кальция в аммиаке приводит к образованию озонида аммония, а не кальция:
3Ca + 10NH3 + 7O3 = Ca * 6NH3 + Ca(OH)2 + Ca(NO3)2 + 2NH4O3 + 3O2 + 2H2O
Озон может быть использован для удаления марганца из воды с образованием осадка, который может быть отделён фильтрованием:
2Mn2+ + 2O3 + 4H2O = 2MnO(OH)2 + 2O2 + 4H+
Озон превращает токсичные цианиды в менее опасные цианаты:
CN- + O3 = CNO- + O2
Озон может полностью разлагать мочевину :
(NH2)2CO + O3 = N2 + CO2 + 2H2O
Взаимодействие озона с органическими соединениями с активированным или третичным атомом углерода при низких температурах приводит к соответствующимгидротриоксидам.
ПОЛУЧЕНИЕ. Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п.
В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Тот же процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.
В лаборатории озон можно получить взаимодействием охлаждённой концентрированной серной кислоты с пероксидом бария:
3H2SO4 + 3BaO2 = 3BaSO4 + O3 + 3H2O
Пероксиды - сложные вещества, в которых атомы кислорода соединены друг с другом. Пероксиды легко выделяют кислород. Для неорганических веществ рекомендуется использовать термин пероксид, для органических веществ и сегодня в русском языке часто используют термин перекись. Пероксиды многих органических веществ взрывоопасны (пероксид ацетона), в частности, они легко образуютсяфотохимически при длительном освещении эфиров в присутствии кислорода. Поэтому перед перегонкой многие эфиры (диэтиловый эфир, тетрагидрофуран) требуют проверки на отсутствие пероксидов.
Пероксиды замедляют синтез белка в клетке.
В зависимости от структуры различают собственно пероксиды, надпероксиды, неорганические озониды. Неорганические пероксиды в виде бинарных или комплексных соединений известны почти для всех элементов. Пероксиды щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с водой, образуя соответствующий гидроксид и пероксид водорода.
Органические пероксиды подразделяются на диалкилпероксиды, алкилгидропероксиды, диацилпероксиды, ацилгидропероксиды (пероксокарбоновые кислоты), циклические пероксиды. Органические пероксиды термически неустойчивы и часто взрывоопасны. Используются как источники свободных радикалов в органическом синтезе и промышленности
Галогени́ды (галоиды) - соединения галогенов с другими химическими элементами или радикалами. При этом галоген, входящий в соединение, должен быть электроотрицательным; так, оксид брома не является галогенидом.
По участвующему в соединении галогену галогениды также называются фторидами, хлоридами, бромидами, иодидами и астатидами. Наиболее известны под этим названием галогениды серебра благодаря массовому распространению плёночной галогеносеребряной фотографии.
Соединения галогенов между собой называются интергалогенидами, или межгалоидными соединениями (например, пентафторид иода IF5).
В галогенидах галоген имеет отрицательную степень окисления, а элемент - положительную.
Галогенид-ион - отрицательно заряженный атом галогена.
