Реакции кислорода со сложными веществами. Кислород физические свойства. Что мы узнали

Строение внешней оболочки: 1 s 2 2 s 2 2р 4 , что говорит о том, что кислороду легче присоединить к себе 2 электрона до заполнения внешнего уровня, чем отдать. Поэтому кислород является окислителем.

Изотопы кислорода.

Существует 3 устойчивые формы кислорода : 16 О, 17 О и 18 О, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759%, 0,037% и 0,204% от общего числа атомов .

Наиболее часто встречающийся 16 О , так как он наиболее легкий (состоит из 8 протонов и 8 электронов), что делает его весьма устойчивым.

Физические свойства кислорода.

Способы получения кислорода.

Существует 4 способа получения кислорода:

1. Электролиз воды.

2. Промышленный способ: перегонка воздушной смеси (кислород, как более тяжелый элемент остается в смеси, а азот улетучивается)

3. Лабораторные способы разложения оксидов , пероксидов , солей:

2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2,

2BaO 2 = 2BaO + O 2,

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2 .

4. Из пероксидов (используют в космосе для регенерации O 2 из углекислого газа):

2 K 2 O 2 + 2 CO 2 = 2 K 2 CO 3 + O 2.

Химические свойства кислорода.

С металлами реагирует уже при комнатной температуре:

2С a + O 2 = 2CaO,

2Mg +O 2 = 2MgO,

С неметаллами (при нагревании):

S + O 2 = SO 2 (Т =250°С ),

C + O 2 = CO 2 (T=700°C),

O 2 взаимодействует со сложными соединениями:

2NO + O 2 = 2NO 2,

2H 2 S + O 2 = 2S + 2H 2 O,

Нахождение кислорода в природе.

Кислород - наиболее часто встречающийся химический элемент. Связанный кислород составляет около 6 / 7 массы водной оболочки Земли - гидросферы (85,82% по массе), почти половину литосферы (47% по массе), и только в атмосфере, где кислород находится в свободном состоянии, он занимает второе место (23,15% по массе) после азота.

Кислород образует большое количество минералов: силикаты, кварц, оксиды железа, карбонаты, сульфаты, нитраты. Он входит в состав клеток живых организмов, участвует в процессах дыхания, диффузии, кровотока, в реакция окисления и восстановления.

Кислород - основной компонент фотосинтеза.

• Обозначение - O (Oxygen);
• Латинское название - Oxigenium;
• Период - II;
• Группа - 16 (VIa);
• Атомная масса - 15,9994;
• Атомный номер - 8;
• Радиус атома = 60 пм;
• Ковалентный радиус = 73 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 4 ;
• t плавления = -218,4°C;
• t кипения = -182,96°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 3,44/3,50;
• Степень окисления: +2; +1; 1 / 2 ; 0; - 1 / 3 ; - 1 / 2 ; -1; -2;
• Плотность (н. у.) = 1,42897 г/см 3 ;
• Молярный объем = 14,0 см 3 /моль.

Кислород ("рождающий кислоты") открыл в 1774 г. Дж. Пристли. Это самый распространенный химический элемент на Земле - массовая доля кислорода в земной коре составляет 47,2%. В атмосферном воздухе доля кислорода составляет 21%, что связано с деятельностью зеленых растений.

Кислород входит в состав многих, как неорганических, так и органических соединений. Кислород необходим для жизнедеятельности всех высокоорганизованных живых организмов: человека, зверей, птиц, рыб. Кислород составляет от 50 до 85% массы тканей животных и растений.

Известны три стабильных изотопа кислорода: 16 O, 17 O, 18 O.

В свободном состоянии кислород существует в двух аллотропных модификациях: O 2 - кислород; O 3 - озон.

Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева , стоит под номером "8", относится к 16(VIa) группе (См. Атомы 16(VIa) группы).

Рис. Строение атома кислорода.

Атом кислорода содержит 8 электронов: 2 электрона находятся на внутренней s-орбитали и еще 6 на внешнем энергетическом уровне - 2 (спаренных) на s-подуровне и 4 (два спаренных и два неспаренных) на p-подуровне (см. Электронная структура атомов).

За счет двух неспаренных p-электронов внешнего уровня кислород образует две ковалентные связи, принимая два электрона и проявляя степень окисления -2 (H 2 O, CaO, H 2 SO 4).

В соединениях с кислородной связью О-О атом кислорода проявляет степень окисления -1 (H 2 O 2).

С более электроотрицательным фтором кислород отдает свои валентные электроны, проявляя степень окисления +2 (OF 2).

O 2

Двухатомная молекула кислорода образована двойной связью двух атомов кислорода. По этой причине молекулярный кислород при нормальных условиях является устойчивым соединением.

Энергия диссоциации молекулы кислорода примерно в 2 раза ниже, чем в молекуле азота (см. Кратность ковалентной связи), поэтому кислород по сравнению с азотом обладает более высокой реакционной способностью (но, гораздо меньшей по сравнению, например, с фтором).

Реакционная способность кислорода увеличивается по мере нагревания. Кислород реагирует со всеми элементами за исключением инертных газов. По причине своей высокой электроотрицательности (см. Что такое электроотрицательность) в химических соединениях (за исключением фтора) кислород выступает в роли окислителя со степенью -2 (только фтор окисляет кислород с образованием дифторида кислорода OF 2).

Свойства газа кислорода :

• газ без цвета, запаха и вкуса;
• в жидком или твердом виде кислород имеет голубую окраску;
• умеренно растворим в воде: массовая доля кислорода при 20°C составляет 0,004%.

Химические свойства кислорода

Во всех реакциях кислород играет роль окислителя, соединяясь со всеми элементами (за исключением гелия, аргона и неона) непосредственным взаимодействием (кроме фтора, хлора, золота и платиновых металлов).

С металлами и неметаллами (простыми веществами) кислород образует оксиды:

2Cu + O 2 = 2CuO 4Li + O 2 = 2Li 2 O 2Ca + O 2 = 2CaO S + O 2 = SO 2 C + O 2 = CO 2

При окислении щелочных металлов натрия и калия образуются пероксиды:

2Na + O 2 = Na 2 O 2

Практически все реакции с участием кислорода являются экзотермическими, но есть и исключения:

N 2 +O 2 ↔ 2NO-Q

Многие вещества реагируют с кислородом с большим выделением тепла и света, такой процесс называется горением .

Реакции горения:

• горение аммиака на воздухе с образованием воды и азота: 4NH 3 +3O 2 = 2N 2 +6H 2 O
• каталитическое окисление аммиака: 4NH 3 +5O 2 = 2NO+6H 2 O
• горение сероводорода в избытке кислорода: 2H 2 S+3O 2 = 2SO 2 +2H 2 O
• при недостатке кислорода сероводород медленно окисляется до свободной серы: 2H 2 S+O 2 = 2S+2H 2 O
• горение органических веществ в кислороде с образованием воды и углекислого газа: CH 4 +2O 2 → CO 2 +2H 2 O C 2 H 5 OH+3O 2 → 2CO 2 +3H 2 O
• при сгорании азотсодержащих органических веществ кроме углекислого газа и воды выделяется свободный азот: 4CH 3 NH 5 +9O 2 → 4CO 2 +2N 2 +10H 2 O

Многие вещества (спирты, альдегиды, кислоты) получают реакцией контролируемого окисления органических веществ. Также многие природные процессы, например, дыхание или гниение, по своей сути являются окислительными реакциями органических веществ.

Еще более сильным окислителем, чем кислород, является озон, способный окислять йодид калия до свободного йона - эта реакция используется для качественного и количественного определения озона: O 3 +2KI+H 2 O = I 2 ↓+2KOH+O 2

Получение и применение кислорода

Кислород находит достаточно широкое применение в промышленности и медицине:

• в металлургии кислород используется при выплавке стали (чугуна);
• в химической промышленности кислород нужен для производства кислот (серной и азотной), метанола, ацетилена, альдегидов;
• в космической промышленности кислород используется в качестве окислителя ракетного топлива;
• в медицине кислород применяют в дыхательных аппаратах;
• в природе кислород играет исключительно важную роль, - в процессе окисления углеводов, жиров и белков происходит высвобождение энергии, необходимой для живых организмов.

Способы получения кислорода:

• промышленные способы:
  • сжижением воздуха с последующим разделением жидкой смеси газов на компоненты;
  • электролиз воды:
    2H 2 O = 2H 2 + O 2 .
• лабораторные способы (разложение солей при нагревании):
  • перманганат калия:
    2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 ;
  • бертолетова соль:
    2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 .
• термическое разложение нитратов щелочных металлов:
  2NaNO 3 = 2NaNO 2 +O 2
• каталитическое разложение пероксида водорода (катализатор MnO 2):
  2H 2 O 2 = 2H 2 O+O 2 ;
• взаимодействие пероксидов углекислого газа с пероксидами щелочных металлов:
  2CO 2 +2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 +O 2 .

Атомы Кислорода могут образовывать два типа молекул: O 2 - кислород и O 3 - озон.

Явление существования нескольких простых веществ, образованных атомами одного химического элемента, называется алотропією. А простые вещества, образованные одним элементом, называют алотропними модификациями.

Следовательно, озон и кислород - это аллотропные модификации элемента Кислорода.

Свойства	Кислород	Озон
Формула соединения	O 2	O 3
Внешний вид в обычных условиях	Газ	Газ
Цвет	В парах кислород бесцветный. Жидкий - бледно-голубого цвета, а твердый - синего	Пары озона светло-синего цвета. Жидкий - синего цвета, а твердый представляет собой темно-фиолетовые кристаллы
Запах и вкус	Без запаха и вкуса	Резкий характерный запах (в малых концентрациях придает воздуху запах свежести)
Температура плавления	219 °С	192 °С
Температура кипения	183 °С	112 °С
Плотность при н. у.	1,43 г/л	2,14 г/л
Растворимость уводі	4 объемы кислорода в 100 объемах воды	45 объемов озона в 100 объемах воды
Магнитные свойства	Жидкий и твердый кислород - парамагнитные вещества, т.е. втягиваются в магнитное поле	Имеет диамагнитные свойства, то есть не взаимодействует с магнитным полем
Биологическая роль	Необходим для дыхания растений и животных (в смеси с азотом или инертным газом). Вдыхание чистого кислорода приводит к сильному отравлению	В атмосфере образует так называемый озоновый слой, который защищает биосферу от вредного воздействия ультрафиолетового излучения. Ядовитый

Химические свойства кислорода и озона

Взаимодействие кислорода с металлами

Молекулярный кислород - довольно сильный окислитель. Он окисляет практически все металлы (кроме золота и платины). Много металлов медленно окисляются на воздухе, но в атмосфере чистого кислорода сгорают очень быстро, при этом образуется оксид:

Однако некоторые металлы при горении образуют не оксиды, а пероксиды (в таких соединениях степень окисления Кислорода равна -1) или надпероксиди (степень окисления атома Кислорода - дробная). Примером таких металлов могут быть барий, натрий и калий:

Взаимодействие кислорода с неметаллами

Оксиген проявляет степень окисления -2 в соединениях, которые образованы со всеми неметаллами, кроме Фтора, Гелия, Неона и Аргона. Молекулы кислорода при нагревании непосредственно вступают во взаимодействие со всеми неметаллами, кроме галогенов и инертных газов. В атмосфере кислорода фосфор самовоспламеняется и некоторые другие неметаллы:

При взаимодействия кислорода с фтором образуется кислород фторид, а не фтор оксид, поскольку атом Фтора имеет большую электроотрицательности, чем атом Кислорода. Оксиген фторид - это газ бледно-желтого цвета. Его используют как очень сильный окислитель и фторувальний агент. В этой соединении степень окисления Кислорода равна +2.

В избытка фтора может образовываться диоксиген дифторид, в котором степень окисления Кислорода равна +1. По строению такая молекула похожа на молекулу водород пероксида.

Применение кислорода и озона. Значение озонового слоя

Кислород используют все аэробные живые существа для дыхания. В процессе фотосинтеза растения выделяют кислород и поглощают углекислый газ.

Молекулярный кислород применяют для так называемой интенсификации, то есть ускорение окислительных процессов в металлургической промышленности. А еще кислород используют для добывания пламени с высокой температурой. При горении ацетилена (С 2 Н 2) в кислороде температура пламени достигает 3500 °С. В медицине кислород применяют для облегчения дыхания больных. Его также используют в дыхательных аппаратах для работы людей в трудной для дыхания атмосфере. Жидкий кислород применяют как окислитель ракетного топлива.

Озон используют в лабораторной практике как очень сильный окислитель. В промышленности с его помощью дезинфицируют воду, поскольку ему присуща сильная окислительная действие, которая уничтожает различные микроорганизмы.

Пероксиды, надпероксиди и озонидов щелочных металлов применяют для регенерации кислорода в космических кораблях и на подводных лодках, Такое применение основано на реакции этих веществ с углекислым газом СО 2:

В природе озон содержится в высоких слоях атмосферы на высоте около 20-25 км, в так называемом озоновом слое, который защищает Землю от жесткого солнечного излучения. Уменьшение концентрации озона в стратосфере хотя бы на 1 может привести к тяжелым последствиям, таким рост числа онкологических заболеваний кожи в людей и животных, увеличение числа заболеваний, связанных с угнетением иммунной системы человека, замедление роста наземных растений, снижение скорости роста фитопланктона и т.д.

Без озонового слоя жизнь на планете было бы невозможным. Тем временем загрязнение атмосферы различными промышленными выбросами приводят к разрушению озонового слоя. Самыми опасными веществами для озона являются фреоны (их используют как хладагенты в холодильных машинах, а также как наполнители для баллончиков с дезодорантами) и отходы ракетного топлива.

Мировое сообщество очень обеспокоено в связи с образованием дыры в озоновом слое на полюсах нашей планеты, в связи с чем в 1987 г. был принят «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой», который ограничил использование веществ, вредных для озонового слоя.

Физические свойства веществ, образованных элементом Сульфуром

Атомы Серы, так же, как и Кислорода, могут образовывать различные аллотропные модификации (S ∞ ; S 12 ; S 8 ; S 6 ; S 2 и другие). При комнатной температуре сера находится в виде α -серы (или ромбической серы), что представляет собой желтые хрупкие кристаллы, без запаха, не растворимые в воде. При температуре свыше +96 °С происходит медленный переход α -серы в β -серу (или моноклінну серу), что представляет собой почти белые пластинки. Если расплавленную серу перелить в воду, происходит переохлаждение жидкой серы и образования желто-коричневой резино-подобной пластической серы, которая погодя снова превращается в а-серу. Сера кипит при температуре, равной +445 °С, образуя пары темно-бурого цвета.

Все модификации серы не растворяются в воде, зато достаточно хорошо растворяются в сероуглероде (CS 2 ) и некоторых других неполярных растворителях.

Применение серы

Главный продукт серной промышленности - это сульфатная кислота. На ее производство приходится около 60 % серы, которую добывают. В гумотехнічній промышленности серу используют для превращения каучука в высококачественную резину, то есть для вулканизации каучука. Сера - важнейший компонент любых пиротехнических смесей. Например, в спичечных головках содержится около 5 %, а в намазці на коробке - около 20 % серы по массе. В сельском хозяйстве серу используют для борьбы с вредителями виноградников. В медицине серу применяют при изготовлении различных мазей для лечения кожных заболеваний.

Физические свойства. При обычных условиях кислород — газ без цвета и запаха, слаборастворимый в воде (в 1 объеме воды при 0 град. С растворяется 5, а при 20 град. С — 3 объема кислорода). В других растворителях его растворимость также незначительна.

При атмосферном давлении кислород сжижается при -183 град. С, а затвердевает при -219 град. С. В жидком и твердом состояниях кислород окрашен в голубой цвет, он обладает магнитными свойствами.

Химические свойства. Кислород относится к активным неметаллам. Во всех соединениях, кроме соединений с фтором и пероксидов, он имеет степень окисления -2, (в соединениях с фтором кислород проявляет степень окисления +2, а в пероксидных соединениях степень его окисления равна -1 или даже дробному числу. Это объясняется тем, что в пероксидах 2 или несколько атомов кислорода соединены друг с другом).

Кислород взаимодействует со всеми металлами, за исключением золота и платиновых металлов (кроме осмия), образуя оксиды:

2 Мg + О 2 = 2 MgО (оксид магния);

4 Аl + 3 О 2 = 2 Аl 2 O 3 (оксид алюминия).

Ряд металлов, кроме основных оксидов, образует амфотерные (ZnО, Сr 2 О 3 , Аl 2 О 3 и др.) и даже кислотные (СrО 3 , Мn 2 О 7 и др.) оксиды.

Он взаимодействует также со всеми, кроме галогенов, неметаллами, образуя кислотные или несолеобразующие (индифферентные) оксиды:

S + О 2 = SО 2 (оксид серы (IV));

4 Р + 5 O 2 = 2 Р 2 О 5 (оксид фосфора (V));

N 2 + О 2 = 2 NО (оксид азота (II)).

Оксиды золота и платиновых металлов получают разложением их (гидроксидов, а кислородные соединения галогенов — осторожным обезвоживанием их кислородсодержащих кислот).

В кислороде и на воздухе легко окисляются (сгорают или тлеют) многие неорганические и органические вещества. Из неорганических веществ, кроме металлов и неметаллов, с кислородом реагируют все соединения металлов с неметаллами, за исключением хлоридов и бромидов:

СаН 2 + O 2 = СаО + Н 2 О;

2 ZnS + 3 O 2 = 2 ZnО + 2 SO 2 ;

Мg 3 Р 2 + 4 O 2 = Мg 3 (РО 4) 2 ;

Са 2 Si + 2 O 2 = Са 2 SiО 4 ;

4 КI + O 2 + 2 Н 2 О = 4 КОН + I 2 .

Из органических соединений с кислородом взаимодействуют почти все, кроме полностью фторированных углеводородов (фреонов), а также хлор- и бромпроизводных с большим содержанием хлора или брома (хлороформ, тетрахлорид углерода, полихлорэтаны и аналогичные бромпроизводные):

С 3 Н 8 + 5 O 2 = 3 СО 2 + 4 Н 2 О;

2 С 2 Н 5 ОН + O 2 = 2 СН 3 СНО + 2 Н 2 О;

2 СН 3 СНО + О 2 = 2 СН 3 СООН;

C 6 Н 12 О 6 + 6 O 2 = 6 СО 2 + 6 Н 2 О;

2 C 6 H 6 + 15 O 2 = 12 СО 2 + 6 Н 2 О.

В атомарном состоянии кислород более активен, чем в молекулярном. Это свойство используют для отбеливания различных материалов (легче разрушаются окрашивающие органические вещества). В молекулярном состоянии кислород может существовать в виде кислорода (O 2) и озона (O 3), т. е. для него характерно явление аллотропии.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кислород – элемент второго периода VIA группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 8. Символ – О.

Атомная масса – 16 а.е.м. Молекула кислорода двухатомна и имеет формулу – О 2

Кислород относится к семейству p-элементов. Электронная конфигурация атома кислорода 1s 2 2s 2 2p 4 . В своих соединениях кислород способен проявлять несколько степеней окисления: «-2», «-1» (в пероксидах), «+2» (F 2 O). Для кислорода характерно проявление явления аллотропии – существования в виде нескольких простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропные модификации кислорода – кислород O 2 и озон O 3 .

Химические свойства кислорода

Кислород является сильным окислителем, т.к. для завершения внешнего электронного уровня ему не хватает всего 2-х электронов, и он легко их присоединяет. По химической активности кислород уступает только фтору. Кислород образует соединения со всеми элементами кроме гелия, неона и аргона. Непосредственно кислород нее вступает в реакции взаимодействия с галогенами, серебром, золотом и платиной (их соединения получают косвенным путем). Почти все реакции с участием кислорода – экзотермические. Характерная особенность многих реакций соединения с кислородом — выделение большого количества теплоты и света. Такие процессы называют горением.

Взаимодействие кислорода с металлами. Со щелочными металлами (кроме лития) кислород образует пероксиды или надпероксиды, с остальными – оксиды. Например:

4Li + O 2 = 2Li 2 O;

2Na + O 2 = Na 2 O 2 ;

K + O 2 = KO 2 ;

2Ca + O 2 = 2CaO;

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 ;

2Cu + O 2 = 2CuO;

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 .

Взаимодействие кислорода с неметаллами. Взаимодействие кислорода с неметаллами протекает при нагревании; все реакции экзотермичны, за исключением взаимодействия с азотом (реакция эндотермическая, происходит при 3000С в электрической дуге, в природе – при грозовом разряде). Например:

4P + 5O 2 = 2P 2 O 5 ;

С + O 2 = СО 2 ;

2Н 2 + O 2 = 2Н 2 О;

N 2 + O 2 ↔ 2NO – Q.

Взаимодействие со сложными неорганическими веществами. При горении сложных веществ в избытке кислорода образуются оксиды соответствующих элементов:

2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O (t);

4NH 3 + 3O 2 = 2N 2 + 6H 2 O (t);

4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O (t, kat);

2PH 3 + 4O 2 = 2H 3 PO 4 (t);

SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O;

4FeS 2 +11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8 SO 2 (t).

Кислород способен окислять оксиды и гидроксиды до соединений с более высокой степенью окисления:

2CO + O 2 = 2CO 2 (t);

2SO 2 + O 2 = 2SO 3 (t, V 2 O 5);

2NO + O 2 = 2NO 2 ;

4FeO + O 2 = 2Fe 2 O 3 (t).

Взаимодействие со сложными органическими веществами. Практически все органические вещества горят, окисляясь кислородом воздуха до углекислого газа и воды:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 +H 2 O.

Кроме реакций горения (полное окисление) возможны также реакции неполного или каталитического окисления, в этом случае продуктами реакции могут быть спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и другие вещества:

Окисление углеводов, белков и жиров служит источником энергии в живом организме.

Физические свойства кислорода

Кислород – самый распространенный элемент на земле (47% по массе). В воздухе содержание кислорода составляет 21% по объему. Кислород – составная часть воды, минералов, органических веществ. В растительных и животных тканях содержится 50 -85 % кислорода в виде различных соединений.

В свободном состоянии кислород представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, плохо растворимый в воде (в 100 л воды при 20С растворяется 3 л кислорода. Жидкий кислород голубого цвета, обладает парамагнитными свойствами (втягивается в магнитное поле).

Получение кислорода

Различают промышленные и лабораторные способы получения кислорода. Так, в промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха, а к основным лабораторным способам получения кислорода относят реакции термического разложения сложных веществ:

2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

4K 2 Cr 2 O 7 = 4K 2 CrO 4 + 2Cr 2 O 3 +3 O 2

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2

2KClO 3 = 2KCl +3 O 2

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При разложении 95 г оксида ртути (II) образовалось 4,48 л кислорода (н.у.). Вычислите долю разложившегося оксида ртути (II) (в мас. %).

Решение

Запишем уравнение реакции разложения оксида ртути (II): 2HgO = 2Hg + O 2 . Зная объем выделившегося кислорода, найдем его количество вещества: моль. Согласно уравнению реакции n(HgO):n(O 2) = 2:1, следовательно, n(HgO) = 2×n(O 2) = 0,4 моль. Вычислим массу разложившегося оксида. Количество вещества связано с массой вещества соотношением: Молярная масса (молекулярная масса одного моль) оксида ртути (II), рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 217 г/моль. Тогда масса оксида ртути (II) равна: m (HgO) = n (HgO) ×M (HgO) = 0,4×217 = 86,8 г. Определим массовую долю разложившегося оксида: