Кислородът влиза в химични реакции с. Физични и химични свойства на кислорода. Производство на кислород в промишлен мащаб

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Желязо- елемент от осмата група от четвъртия период на периодичната таблица на химичните елементи на Д.И.Менделеев.

А вялото число е 26. Символът е Fe (лат. „ferrum“). Един от най-разпространените метали в земната кора (на второ място след алуминия).

Физични свойства на желязото

Желязото е сив метал. В чист вид е доста мек, ковък и пластичен. Електронна конфигурациявъншен енергийно ниво- 3d 6 4s 2. В своите съединения желязото проявява степен на окисление "+2" и "+3". Точката на топене на желязото е 1539С. Желязото образува две кристални модификации: α- и γ-желязо. Първият от тях има кубична решетка, центрирана по тялото, а втората - кубична лицево-центрирана решетка. α-желязото е термодинамично стабилно в два температурни диапазона: под 912 и от 1394C до точката на топене. Между 912 и 1394C γ-желязото е стабилно.

Механичните свойства на желязото зависят от неговата чистота – съдържанието дори на много малки количества други елементи в него. Твърдото желязо има способността да разтваря много елементи в себе си.

Химични свойства на желязото

Желязото бързо ръждясва във влажен въздух; покрита с кафяв цвят на хидратиран железен оксид, който поради своята рохкавост не предпазва желязото от по-нататъшно окисление. Желязото корозира интензивно във вода; при обилен достъп на кислород се образуват хидратирани форми на железен (III) оксид:

2Fe + 3 / 2O 2 + nH 2 O = Fe 2 O 3 × H 2 O.

При липса на кислород или с труден достъп се образува смесен оксид (II, III) Fe 3 O 4:

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2.

Желязото се разтваря в солна киселина с всякаква концентрация:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2.

Разтварянето в разредена сярна киселина става по подобен начин:

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2.

V концентрирани разтворижелязото със сярна киселина се окислява до желязо (III):

2Fe + 6H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.

Въпреки това, в сярна киселина, чиято концентрация е близка до 100%, желязото става пасивно и практически не се осъществява взаимодействие. В разредени и умерено концентрирани разтвори азотна киселинажелязо се разтваря:

Fe + 4HNO 3 = Fe (NO 3) 3 + NO + 2H 2 O.

При високи концентрации на азотна киселина разтварянето се забавя и желязото става пасивно.

Подобно на други метали, желязото реагира с прости вещества. Желязото взаимодейства с халогени (независимо от вида на халогена) се случва при нагряване. Взаимодействието на желязото с брома се осъществява при повишено парно налягане на последния:

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3;

3Fe + 4I 2 = Fe 3 I 8.

Взаимодействието на желязото със сяра (прах), азот и фосфор също се случва при нагряване:

6Fe + N 2 = 2Fe 3 N;

2Fe + P = Fe 2 P;

3Fe + P = Fe 3 P.

Желязото е способно да реагира с неметали като въглерод и силиций:

3Fe + C = Fe 3 C;

Сред реакциите на взаимодействие на желязото със сложни вещества специална роляиграят следните реакции - желязото е в състояние да редуцира метали, които са в линията на активност вдясно от него, от солеви разтвори (1), до редуциране на железни (III) съединения (2):

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu (1);

Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2 (2).

Желязото при повишено налягане реагира с несолеобразуващ оксид - CO с образуването на вещества със сложен състав - карбонили - Fe (CO) 5, Fe 2 (CO) 9 и Fe 3 (CO) 12.

Желязото, при липса на примеси, е стабилно във вода и в разредени разтвори на алкали.

Получаване на желязо

Основният метод за производство на желязо е от желязна руда (хематит, магнетит) или електролиза на разтвори на неговите соли (в този случай се получава "чисто" желязо, тоест желязо без примеси).

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение

Желязният камък Fe 3 O 4 с тегло 10 g първо се третира със 150 ml разтвор на солна киселина (плътност 1,1 g / ml) с масова част хлороводород 20%, след което към получения разтвор се добавя излишък от желязо . Определете състава на разтвора (в тегловни %).

Решение

Нека запишем уравненията на реакцията според условието на задачата: 8HCl + Fe3O4 = FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O (1); 2FeCl 3 + Fe = 3FeCl 2 (2). Познавайки плътността и обема на разтвора на солна киселина, можете да намерите неговата маса: m зол (HCl) = V (HCl) × ρ (HCl); m зол (HCl) = 150 × 1.1 = 165 g. Нека изчислим масата на хлороводорода: m (HCl) = m зол (HCl) x ω (HCl) / 100%; m (HCl) = 165 × 20% / 100% = 33 g. Моларната маса (маса на един мол) на солна киселина, изчислена с помощта на таблицата на химичните елементи на D.I. Менделеев - 36,5 g / mol. Нека намерим количеството на веществото хлороводород: v (HCl) = m (HCl) / M (HCl); v (HCl) = 33 / 36.5 = 0.904 mol. Моларната маса (маса на един мол) на скалата, изчислена с помощта на таблицата на химичните елементи на D.I. Менделеев - 232 g / mol. Нека да намерим количеството на мащаба: v (Fe3O4) = 10/232 = 0,043 mol. Съгласно уравнение 1, v (HCl): v (Fe 3 O 4) = 1: 8, следователно, v (HCl) = 8 v (Fe 3 O 4) = 0,344 mol. Тогава количеството хлорно вещество, изчислено по уравнението (0,344 mol), ще бъде по-малко от това, посочено в условието на задачата (0,904 mol). следователно, солна киселинае в излишък и ще възникне друга реакция: Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (3). Нека определим количеството на веществото железни хлориди, образувано в резултат на първата реакция (означаваме конкретна реакция с индекси): v 1 (FeCl 2): ​​v (Fe 2 O 3) = 1: 1 = 0,043 mol; v1 (FeCl3): v (Fe2O3) = 2:1; v 1 (FeCl 3) = 2 × v (Fe 2 O 3) = 0,086 mol. Нека определим количеството хлороводород, което не е реагирало в реакция 1, и количеството вещество на железен (II) хлорид, образувано по време на реакция 3: v rem (HCl) = v (HCl) - v 1 (HCl) = 0,904 - 0,344 = 0,56 mol; v 3 (FeCl 2): ​​v rem (HCl) = 1: 2; v 3 (FeCl 2) = 1/2 × v rem (HCl) = 0,28 mol. Нека определим количеството на веществото FeCl 2, образувано по време на реакция 2, общото количество на веществото FeCl 2 и неговата маса: v2 (FeCl3) = v1 (FeCl3) = 0,086 mol; v 2 (FeCl 2): ​​v 2 (FeCl 3) = 3: 2; v 2 (FeCl 2) = 3/2 × v 2 (FeCl 3) = 0,129 mol; v сума (FeCl 2) = v 1 (FeCl 2) + v 2 (FeCl 2) + v 3 (FeCl 2) = 0,043 + 0,129 + 0,28 = 0,452 mol; m (FeCl 2) = v сума (FeCl 2) × M (FeCl 2) = 0,452 × 127 = 57,404 g. Нека определим количеството вещество и масата на желязото, което е влязло в реакции 2 и 3: v2 (Fe): v2 (FeCl3) = 1:2; v 2 (Fe) = 1/2 × v 2 (FeCl 3) = 0,043 mol; v3 (Fe): v rem (HCl) = 1:2; v3 (Fe) = 1/2 × v rem (HCl) = 0,28 mol; v сума (Fe) = v 2 (Fe) + v 3 (Fe) = 0,043 + 0,28 = 0,323 mol; m (Fe) = v сума (Fe) × M (Fe) = 0,323 × 56 = 18,088 g. Нека изчислим количеството вещество и масата на водорода, освободен в реакция 3: v (H2) = 1/2 × v rem (HCl) = 0,28 mol; m (H 2) = v (H 2) × M (H 2) = 0,28 × 2 = 0,56 g. Определете масата на получения разтвор m 'sol и масова част FeCl 2 в него: m 'sol = m зол (HCl) + m (Fe 3 O 4) + m (Fe) - m (H 2);

§ 27. ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА КИСЛОРОДА. КОМБИНАЦИОННА РЕАКЦИЯ

Изучаването на параграфа ще ви помогне:

· Назовете състава и дайте примери за оксиди;

Характеризирайте Химични свойствакислород;

· Съставете уравненията на реакциите с участието на кислород;

· Разграничаване между реакции на разлагане и съединения;

Обяснете същността на сложните реакции

Знаете, че химичните свойства на веществата са способността им да взаимодействат с други вещества. Взаимодействието завършва с факта, че структурните частици на реакционните продукти се образуват от структурните частици, които са били част от реагентите. С участието на кислорода такива процеси протичат както с много прости, така и с сложни вещества. Това дава основание да наричаме кислорода активно вещество.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА КИСЛОРОДА С ПРОСТИ ВЕЩЕСТВА.

1. Взаимодействие с въглерод. Загрейте въглища на пламъка на алкохолна лампа и го поставете в колба, пълна с кислород. Въглищата изгарят бързо, без да образуват сажди и дим (фиг. 87, а), а стените на колбата се нагряват. Изсипете варова вода в колба, тя ще стане мътна. И това доказва, че се появи колбата, която преди това съдържаше кислород въглероден двуокис.

Освобождаването на светлина и топлина показва, че е настъпило горене, което се отнася до химично явление:

С + О 2 = СО 2 - въглероден диоксид или въглероден (IV) оксид (1)

2. Взаимодействие с водород. Нека издигнем запален кибрит към суха епруветка, пълна с водород. Веднага чуваме приглушено пляскане. Това е така, защото водородът реагира с кислород мигновено - експлозивно. Появата на водни капчици по стените на суха епруветка е убедително доказателство за образуването на това вещество:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O - вода или водороден оксид (2)

3. Взаимодействие със сяра. Напълваме лъжица за горящи вещества с 1/3 сяра, добавяме я към пламъка на алкохолна лампа и продължаваме, докато сярата се разтопи и започне да гори. След това добавете лъжица към колбата с кислород. Сярата незабавно пламва с ярък син пламък, колбата се пълни със серен диоксид (фиг. 87, б):

S + O 2 = SO 2 - серен диоксид или серен (IV) оксид (3)

Тази реакция е придружена от появата на остра специфична миризма на серен диоксид.

4. Взаимодействие с магнезий. Нека запалим магнезиевата лента и тя бързо ще изгори с ярък ослепителен пламък:

2Mg + O 2 = 2MgO магнезиев оксид (4)

Видимият признак на тази химическа реакция е появата на светлина.

5. Взаимодействие с желязо. Нека се опитаме като магнезий да изгорим тънка желязна игла. Няма да можем да направим това във въздуха. Нека проверим дали иглата изгаря в колба, пълна с кислород. За безопасно провеждане на експеримента покрийте дъното на колбата със слой пясък. Тънка игла с частта, в която се намира окото, се слага невъзмутимо в дървена пръчка и на върха на иглата се забожда кибрит. Веднага след като запалите кибрита, бавно вкарайте иглата в колбата с кислород. Желязото бързо се запалва, продуктът на реакцията, образуван от ярки искри, напомнящи новогодишните бенгальски огньове, се разпръсква в различни посоки (фиг. 87, в). От иглата на мястото на закрепването й остава малка разтопена топка. Страните на колбата се нагряват. Това химично явление се предава чрез следното уравнение на реакцията:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 желязна скала (b)

Реакцията е придружена от отделяне на светлина и топлина.

6. Взаимодействие с мед. Нека държим медната плоча над пламъка на спиртната лампа за няколко минути. Ще наблюдаваме как вместо червено-меден цвят се появява черно:

2Cu + O 2 = 2CuO - меден (II) оксид (c)

Реакцията е придружена от промяна на цвета.

ПОНЯТИЕ ЗА ОКСИДИ. Във всички току що разгледани реакции се образуват бинарни съединения на елемента с кислород – оксиди.

До прости или сложни веществаоксиди ли са? Обяснете отговора.

Ориз. 87. Изгаряне в кислород на въглища (а), сяра (6) и желязо (в)

Вече знаете, че оксидите са бинарни съединения на елементи с кислород и знаете как да определите валентността на химичен елемент в оксида. Това може да се припомни чрез позоваване на параграф 18.

Продуктът от взаимодействието на желязото с кислорода - желязна люспа Fe 3 O 4 - е специално бинарно съединение на кислорода. Образува се от два оксида - FeO и Fe 2 O 3.

Определете по формулите на двата оксида. в коя от тях металният елемент Ферум е двувалентен, а в коя е тривалентен.

КОМБИНАЦИОННА РЕАКЦИЯ. Във всеки от шестте разгледани примера общото беше, че се образува едно от двете вещества. Такива реакции се наричат ​​комбинирани реакции.

Реакции, при които едно вещество се образува от две или повече вещества, се наричат ​​комбинирани реакции.

За да не останете с впечатлението след разглежданите примери, че могат да се комбинират само прости вещества, ще дадем примери за реакционни уравнения за комбинация от сложни и проста субстанция; две сложни вещества:

2CO + O 2 = 2CO 2 (7)

Na 2 O + ЅO 3 = Na 3 SO 4 - натриев сулфат (8)

Както можете да видите, основното за комбинираните реакции е, че се образува един реакционен продукт, а реагентите могат да бъдат както сложни, така и прости вещества, но със сигурност трябва да има две или повече от тях.

Нека обобщим какво научихме:

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА КИСЛОРОДА СЪС КОМПЛЕКСНИ ВЕЩЕСТВА. Взаимодействие с метан. Всеки път, когато хората запалят газова печка, хората извършват химическа реакция между метан CH 4 (основният компонентприроден газ) и кислород:

Това химично явление е придружено от две физически явления, светлина и топлина. По време на потока му съдържанието на кислород в кухненската стая намалява, а въглеродният диоксид, напротив, се увеличава. Ето защо тези, които проветряват кухнята, държат прозореца отворен и монтират електрически аспиратори, правят правилното нещо.

Взаимодействието на кислорода със сероводород H 2 S. Сероводородът, или сероводородът, също гори в кислород. За достатъчно количество кислород реакцията се придружава от образуването на вече известните серен диоксид и вода:

2H 2 S + 3O 2 = 2 ЅO 2 + 2H 2 O (10)

Пълно окисление на глюкозата C 6 H 12 O 6. Самият факт, че човек може да живее не повече от 5-7 минути без да диша, предполага, че кислородът е изключително важен за тялото. Замисляли ли сте се някога за функциите на кислорода в нашето тяло? В крайна сметка дневната му норма не е толкова малка - около 700 g.

Учените са изследвали, че много реакции протичат с участието на кислород в тялото. По-специално, глюкозата, която влиза в човешкото тяло с храната, също реагира с кислорода. Взаимодействието протича в присъствието на ензими (катализатори) и завършва с образуването на въглероден диоксид и вода. Това може да се изрази със следното общо уравнение на реакцията:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О (11)

Във всички разгледани примери, независимо от това дали просто или сложно вещество взаимодейства с кислород, се образуват оксиди на тези елементи, които са били част от реагентите. Но при непълно взаимодействие на сложно вещество с кислород може да се образува и просто вещество. Например, горното взаимодействие на кислорода със сероводород Н 2 S може да възникне с образуването на сяра и вода, ако кислородът се приема с недостиг:

2H 2 S + O 2 = 2S + 2H 2 O (12)

Кислородът принадлежи към активни вещества... Лесно взаимодейства с прости и сложни вещества. Продуктите на тези реакции са оксиди.

Ерудит в касичката

В началото на параграфа беше казано, че повечето прости вещества взаимодействат с кислорода. Примери за метали, които не са включени в това мнозинство, са златото Au, платина Pt, поради което се наричат ​​благородни метали. Сред неметалните хелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn проявяват "безразличие" или инертност към кислорода. Следователно тези газообразни вещества се наричат ​​общо инертни газове.

Дълго време в науката се смяташе, че инертните газове не взаимодействат с никакви вещества. Въпреки това, през последния половин век беше възможно да се извлекат някои от техните съединения, включително тези с кислород, макар и не чрез комбинацията на инертен газ с кислород, а по други методи.

1. От какво са направени оксидите? Дайте примери за оксиди.

2. Опишете химичните свойства на кислорода.

3. Кои реакции се наричат ​​комбинирани реакции? Дай примери.

4. Каква е разликата между разлагането и химичните реакции на съединението?

5. Запишете от текста на параграфа формулите и имената на вещества, които са нови за вас.

6. Използвайки формулите на наличните оксиди в текста на параграфа, определете кой от тях има най-малка и кой има най-голяма масова част на кислорода.

7. По дадените схеми напишете уравненията на реакциите:

а) Ba + O 2 -> BaO

б) PbS + О 2 -> РbО + SO 2

в) Cu + O 2 -> CuO

г) HgS + O 2 -> Hg + SO 2

8. Напишете уравненията за реакциите на кислорода с:

а) амоняк NH3, ако валентността на азота в образувания оксид е 2;

6) цинков сулфид ZnS, ако в образувания оксид валентността на сярата е равна на IV.

Разберете местоположението на инертните газове в периодичната таблица на химичните елементи на Д. И. Менделеев.

Въведение

Всеки ден вдишваме въздуха, от който се нуждаем толкова много. Замисляли ли сте се някога от какво или по-точно от какви вещества се състои въздухът? По-голямата част от него съдържа азот (78%), следван от кислород (21%) и инертни газове (1%). Въпреки че кислородът не съставлява най-основната част от въздуха, без него атмосферата би била неподходяща за живот. Благодарение на него животът съществува на Земята, защото азотът, както заедно, така и поотделно, е разрушителен за хората. Нека да разгледаме свойствата на кислорода.

Физични свойства на кислорода

Кислородът във въздуха не може лесно да се различи, тъй като при нормални условия това е газ без вкус, цвят или мирис. Но кислородът е възможен изкуственопреведете на други агрегатни състояния... И така, при -183 o C става течен, а при -219 o C се втвърдява. Но твърд и течен кислород могат да бъдат получени само от хората, а в природата той съществува само в газообразно състояние... изглежда така (снимка). А твърдото е като лед.

Физичните свойства на кислорода са и структурата на молекулата на простото вещество. Кислородните атоми образуват две такива вещества: кислород (O 2) и озон (O 3). По-долу е даден модел на кислородна молекула.

Кислород. Химични свойства

Първото нещо, с което трябва да започнете химична характеристикаелемент - позицията му в Д.И.Менделеев. И така, кислородът е във 2-ри период на 6-та група основна подгрупана номер 8. Неговата атомна маса- 16 amu, това е неметал.

V неорганична химиянеговите бинарни съединения с други елементи са обединени в отделно - оксиди. Може да се образува кислород химични съединениякакто с метали, така и с неметали.

Нека да поговорим за получаването му в лаборатории.

Кислородът може да се получи химически чрез разлагане на калиев перманганат, водороден пероксид, бертолетова сол, нитрати на активни метали и оксиди на тежки метали. Помислете за уравненията на реакцията, когато прилагате всеки от тези методи.

1. Водна електролиза:

H 2 O 2 = H 2 O + O 2

5. Разлагане на оксиди на тежки метали (напр. живачен оксид):

2HgO = 2Hg + O 2

6. Разлагане на активни метални нитрати (напр. натриев нитрат):

2NaNO3 = 2NaNO2 + O2

Приложение на кислород

Приключихме с химичните свойства. Сега е моментът да поговорим за използването на кислорода в човешкия живот. Необходим е за изгаряне на гориво в електрически и топлоцентрали. Използва се за производство на стомана от чугун и скрап, за заваряване и рязане на метал. Кислородът е необходим за маски за пожарникари, за бутилки на водолази, използва се в черната и цветната металургия и дори в производството на експлозиви. Също така в хранително-вкусовата промишленост кислородът е известен като хранителна добавка E948. Изглежда, че няма индустрия, в която да се използва, но той играе най-важната роля в медицината. Там го наричат ​​"медицински кислород". За да е подходящ за използване кислородът, той е предварително компресиран. Физичните свойства на кислорода го правят компресим. В подобна форма се съхранява в цилиндри, подобни на тези.

Използва се в интензивно лечение и при операции в оборудването за поддържане на жизненоважни процеси в тялото на болен пациент, както и при лечение на някои заболявания: декомпресия, патологии на стомашно-чревния тракт. С негова помощ лекарите всеки ден спасяват много животи. Химически и физични свойствакислород допринасят за това, че се използва толкова широко.

Кислородът е един от най-важните елементи на нашата планета. Химичните свойства на това вещество му позволяват да участва в биологични процеси, а повишената активност прави кислорода важен участник във всички известни химични реакции. В свободно състояние това вещество присъства в атмосферата. В свързано състояние кислородът е част от минерали, скали, сложни вещества, които изграждат различни живи организми. Общото количество кислород на Земята се оценява на 47% от общата маса на нашата планета.

Обозначение на кислорода

В периодичната таблица кислородът заема осмата клетка на тази таблица. Международното му име е оксигениум. В химическите записи се обозначава с латинската буква "O". Атомен кислород не се среща в естествената среда, неговите частици се комбинират, за да образуват сдвоени газови молекули, чието молекулно тегло е 32 g / mol.

Въздух и кислород

Въздухът е смес от няколко газа, често срещани на Земята. Повечето в въздушна масаазот - 78,2% обемни и 75,5% масови. Кислородът заема едва второто място по обем - 20,9%, и по тегло - 23,2%. Третото място е запазено за благородни газове. Останалите примеси - въглероден диоксид, водна пара, прах и др. - заемат само част от процента от общата въздушна маса.

Цялата маса на естествения кислород е смес от три изотопа - 16 O, 17 O, 18 O. Процентът на тези изотопи в общата маса на кислорода е съответно 99,76%, 0,04% и 0,2%.

Физични и химични свойства на кислорода

Един литър въздух при нормални условия тежи 1,293 г. Когато температурата падне до -140⁰C, въздухът се превръща в безцветна прозрачна течност. Въпреки ниската точка на кипене, въздухът може да се задържи течно състояниедори при стайна температура. За това течността трябва да се постави в така наречения съд на Дюар. Потапянето в течен кислород радикално променя нормалните свойства на обектите.

Етиловият алкохол и много газове се превръщат в твърди предмети, живакът става твърд и ковък, а гумена топка губи своята еластичност и се разпада при най-малкия удар.

Кислородът се разтваря във вода, макар и в малки количества - морска водасъдържа 3-5% кислород. Но дори толкова малко количество от този газ е довело до съществуването на риби, мекотели и различни морски организми, които получават кислород от водата, за да поддържат собствените си процеси за поддържане на живота.

Структурата на кислородния атом

Описаните свойства на кислорода се обясняват преди всичко с вътрешната структура на този елемент.

Кислородът принадлежи към основната подгрупа на шестата група елементи. периодична система... Във външния електронен облак на елемента има шест електрона, четири от които заемат p-орбитали, а останалите два са разположени в s-орбитали. Такава вътрешна структурапричинява високи енергийни разходи, насочени към разрушаване на електронни връзки – по-лесно е кислородният атом да заеме два липсващи електрона на външната орбитала, отколкото да даде своите шест. Следователно ковалентността на кислорода в повечето случаи е равна на две. Благодарение на два свободни електрона кислородът лесно образува двуатомни молекули, които се характеризират с висока якост на връзката. Само когато приложената енергия надвиши 498 J/mol, молекулите се разпадат и се образува атомен кислород. Химичните свойства на този елемент му позволяват да реагира с всички известни вещества, с изключение на хелий, неон и аргон. Скоростта на взаимодействие зависи от температурата на реакцията и от естеството на веществото.

Химични свойства на кислорода

С различни вещества кислородът влиза в реакции на образуване на оксиди, като тези реакции са характерни както за метали, така и за неметали. Кислородните съединения с метали се наричат ​​основни оксиди - класически примерслужи като магнезиев оксид и калциев оксид. Взаимодействието на метални оксиди с вода води до образуването на хидроксиди, които потвърждават активните химични свойства на кислорода. При неметали това вещество се образува киселинни оксиди- например серен триоксид SO 3. Когато този елемент взаимодейства с вода, се получава сярна киселина.

Химическа активност

Кислородът взаимодейства директно с преобладаващото мнозинство елементи. Изключение правят златото, халогените и платината. Взаимодействието на кислорода с някои вещества се ускорява значително в присъствието на катализатори. Например, смес от водород и кислород в присъствието на платина реагира дори при стайна температура. С оглушителна експлозия сместа се превръща в обикновена вода, важен компонент на която е кислородът. Химичните свойства и високата активност на елемента обясняват освобождаването Голям бройсветлина и топлина, следователно химична реакцияс кислород често се нарича горене.

Изгарянето в чист кислород е много по-интензивно, отколкото във въздуха, въпреки че количеството топлина, отделена по време на реакцията, ще бъде приблизително същото, но процесът, поради липсата на азот, протича много по-бързо и температурата на горене става по-висока.

Производство на кислород

През 1774 г. английският учен Д. Пристли изолира неизвестен газ от разлагането на живачен оксид. Но ученият не е свързал излъчения газ с вече известното вещество, което е част от въздуха. Само няколко години по-късно великият Лавоазие изследва физикохимичните свойства на кислорода, получен при тази реакция, и доказва идентичността му с газа, който е част от въздуха. V съвременен святкислородът се получава от въздуха. В лабораториите използвам индустриален кислород, който се подава в бутилки под налягане около 15 МРа. Чист кислород може да се получи и в лабораторни условия, като стандартният метод за получаването му е термичното разлагане на калиев перманганат, което протича по формулата:

Производство на озон

Ако електричеството премине през кислород или въздух, тогава в атмосферата ще се появи характерна миризма, предвещаваща появата на ново вещество - озон. Озонът може да се получи и от химически чист кислород. Образуването на това вещество може да се изрази с формулата:

Тази реакция не може да протече сама - за успешното й завършване е необходима външна енергия. Но обратното преобразуване на озона в кислород се случва спонтанно. Химичните свойства на кислорода и озона се различават по много начини. Озонът се различава от кислорода по плътност, точка на топене и точка на кипене. При нормални условия този газ е син на цвят и има характерна миризма. Озонът има по-висока електрическа проводимост и е по-разтворим във вода от кислорода. Химичните свойства на озона се обясняват с процеса на неговото разпадане - когато една молекула от това вещество се разлага, се образува двуатомна кислородна молекула плюс един свободен атом на този елемент, който реагира агресивно с други вещества. Например, реакцията между озон и кислород е известна: 6Ag + O 3 = 3Ag 2 O

Но обикновеният кислород не се комбинира със среброто дори при високи температури.

В природата активното разлагане на озона е изпълнено с образуването на така наречените озонови дупки, които застрашават жизнените процеси на нашата планета.

Съдържанието на статията

КИСЛОРОД, O (кислород), химичен елемент VIA подгрупи на периодичната таблица на елементите: O, S, Se, Te, Po - член на семейството на халкогена. Това е най-разпространеният елемент в природата, съдържанието му в земната атмосфера е 21% (об.), В земната кора под формата на съединения прибл. 50% (тегл.) И в хидросферата 88,8% (тегл.).

Кислородът е от съществено значение за живота на земята: животните и растенията консумират кислород по време на дишането, а растенията отделят кислород по време на фотосинтезата. Живата материя съдържа свързан кислород не само в състава на телесните течности (в кръвните клетки и др.), но и в състава на въглехидратите (захар, целулоза, нишесте, гликоген), мазнини и протеини. Глините и скалите са съставени от силикати и други кислород-съдържащи неорганични съединения като оксиди, хидроксиди, карбонати, сулфати и нитрати.

Справка по история.

Първите сведения за кислорода стават известни в Европа от китайски ръкописи от 8 век. В началото на 16 век. Леонардо да Винчи публикува данни, свързани с химията на кислорода, като все още не знае, че кислородът е елемент. Реакциите на добавяне на кислород са описани в научни трудовеС. Гейлс (1731) и П. Байен (1774). Особено внимание заслужават изследванията на К. Шеле през 1771–1773 г. върху взаимодействието на метали и фосфор с кислород. Дж. Пристли съобщава за откриването на кислорода като елемент през 1774 г., няколко месеца след доклада на Байен за реакциите с въздуха. Името оксигений (кислород) е дадено на този елемент малко след откриването на Пристли и произлиза от гръцките думи за производство на киселина; това се дължи на погрешното схващане, че кислородът присъства във всички киселини. Обяснението за ролята на кислорода в процесите на дишане и горене обаче принадлежи на А. Лавоазие (1777).

Структурата на атома.

Всеки естествен кислороден атом съдържа 8 протона в ядрото си, но броят на неутроните може да бъде 8, 9 или 10. Най-често срещаният от трите кислородни изотопа (99,76%) е 16 8 O (8 протона и 8 неутрона). Съдържанието на друг изотоп, 18 8 O (8 протона и 10 неутрона), е само 0,2%. Този изотоп се използва като етикет или за идентифициране на определени молекули, както и за биохимични и медико-химични изследвания (метод за изследване на нерадиоактивни следи). Третият нерадиоактивен кислороден изотоп 17 8 O (0,04%) съдържа 9 неутрона и има масово число 17. След като масата на въглеродния изотоп 12 6 C е приета от Международната комисия за стандартна атомна маса през 1961 г., среднопретеглената атомна маса на кислорода стана 15, 9994. До 1961 г. химиците смятат, че стандартната единица за атомна маса е атомната маса на кислорода, взета за смес от три естествени кислородни изотопа, равна на 16 000. Физиците взеха масовото число на кислородния изотоп 16 8 O като стандартна единица за атомна маса, следователно във физическата скала средната атомна маса на кислорода беше 16,0044.

В кислородния атом има 8 електрона, с 2 електрона на вътрешното ниво и 6 електрона на външното. Следователно при химични реакции кислородът може да приеме до два електрона от донори, завършвайки външната си обвивка до 8 електрона и образувайки излишен отрицателен заряд.

Молекулен кислород.

Подобно на повечето други елементи, на чиито атоми липсват 1-2 електрона, за да завършат външната обвивка от 8 електрона, кислородът образува двуатомна молекула. При този процес се отделя много енергия (~ 490 kJ / mol) и съответно същото количество енергия трябва да се изразходва за обратния процес на дисоциация на молекула на атоми. Връзката O – O е толкова силна, че при 2300 ° C само 1% от кислородните молекули се дисоциират на атоми. (Заслужава да се отбележи, че когато се образува азотната молекула N 2, силата на връзката N – N е още по-висока, ~ 710 kJ / mol.)

Електронна структура.

В електронната структура на кислородната молекула, както може да се очаква, разпределението на електроните по октет около всеки атом не е реализирано, но има несдвоени електрони и кислородът проявява свойства, типични за такава структура (например, взаимодейства с магнитно поле, като парамагнит).

Реакции.

При подходящи условия молекулярният кислород реагира с почти всеки елемент, различен от благородните газове. Въпреки това, при стайни условия, само най-активните елементи реагират с кислород доста бързо. Вероятно повечето от реакциите протичат само след дисоциацията на кислорода на атоми, а дисоциацията настъпва само при много високи температури. Въпреки това, катализатори или други вещества в реакционната система могат да насърчат дисоциацията на O 2. Известно е, че алкалните (Li, Na, K) и алкалоземните (Ca, Sr, Ba) метали реагират с молекулярен кислород, за да образуват пероксиди:

Получаване и кандидатстване.

Поради наличието на свободен кислород в атмосферата, най-много ефективен методизвличането му е втечняване на въздух, от който се отстраняват примеси, CO 2, прах и др. химически и физически методи... Цикличният процес включва компресия, охлаждане и разширение, което води до втечняване на въздуха. При бавно покачване на температурата (метод на фракционна дестилация) първо благородните газове (най-трудните за втечняване) се изпаряват от течния въздух, след това остават азот и течен кислород. В резултат на това течният кислород съдържа следи от благородни газове и е относително голям процентазот. За много приложения тези примеси не пречат. Въпреки това, за да се получи кислород с висока чистота, процесът на дестилация трябва да се повтори. Кислородът се съхранява в резервоари и бутилки. Използва се в големи количества като окислител за керосин и други горива в ракети и космически кораби. Стоманодобивната промишленост консумира кислороден газ за продухване през разтопеното желязо с помощта на метода на Бесемер за бързо и ефективно отстраняване на примесите C, S и P. Кислородната стомана се произвежда по-бързо и с по-добро качество от въздушната струя. Кислородът се използва и за заваряване и рязане на метали (кислородно-ацетиленов пламък). Кислородът се използва и в медицината, например за обогатяване на дихателната среда на пациенти със задух. Кислородът може да се получи в различни химични методи, а някои от тях се използват за получаване на малки количества чист кислород в лабораторната практика.

Електролиза.

Един от методите за получаване на кислород е електролиза на вода, съдържаща малки добавки на NaOH или H 2 SO 4 като катализатор: 2H 2 O ® 2H 2 + O 2. В този случай се образуват малки примеси от водород. С помощта на изпускателно устройство следите от водород в газовата смес отново се превръщат във вода, чиито пари се отстраняват чрез замразяване или адсорбция.

Термична дисоциация.

Важен лабораторен метод за получаване на кислород, предложен от J. Priestley, е термичното разлагане на оксиди на тежки метали: 2HgO ® 2Hg + O 2. За това Пристли фокусира слънчевите лъчи върху прах от живачен оксид. Добре известен лабораторен метод е и термичната дисоциация на оксосоли, например калиев хлорат в присъствието на катализатор - манганов диоксид:

Мангановият диоксид, добавен в малки количества преди калциниране, позволява поддържане на необходимата температура и скорост на дисоциация, а самият MnO 2 не се променя в процеса.

Използват се и методи термично разлаганенитрати:

както и пероксиди на някои активни метали, например:

2BaO 2 ® 2BaO + O 2

Последният метод някога е бил широко използван за извличане на кислород от атмосферата и се състои в нагряване на BaO във въздуха за образуване на BaO 2, последвано от термично разлагане на пероксид. Процесът на термично разлагане остава важен за производството на водороден прекис.

НЯКОИ ФИЗИЧЕСКИ СВОЙСТВА НА КИСЛОРОДА
Атомно число	8
Атомна маса	15,9994
Точка на топене, °С	–218,4
Точка на кипене, °С	–183,0
Плътност
твърдо вещество, g / cm 3 (ат т pl)	1,27
течност g / cm 3 (ат тбала)	1,14
газообразен, g / dm 3 (при 0 ° C)	1,429
спрямо въздуха	1,105
критичен a, g / cm 3	0,430
Критична температура a, °С	–118,8
Критично налягане a, атм	49,7
Разтворимост, cm 3/100 ml разтворител
във вода (0°C)	4,89
във вода (100°С)	1,7
в алкохол (25°C)	2,78
Радиус, Å	0,74
ковалентен	0,66
йонна (О 2–)	1,40
Йонизационен потенциал, V
първо	13,614
второ	35,146
Електроотрицателност (F = 4)	3,5
a Температура и налягане, при които плътностите на газа и течността са еднакви.

Физически свойства.

Кислород при нормални условия - безцветен газбез мирис и вкус. Течният кислород е бледосин на цвят. Твърдият кислород съществува в поне три кристални модификации. Газообразният кислород е разтворим във вода и е вероятно да образува крехки съединения като O 2 CH H 2 O и вероятно O 2 CH 2H 2 O.

Химични свойства.

Както вече споменахме, химичната активност на кислорода се определя от способността му да се дисоциира в O атоми, които са силно реактивни. Само най-много активни металии минералите реагират с O 2 с висока скорост при ниски температури... Най-активните алкални (IA подгрупи) и някои алкалоземни (IIA подгрупи) метали се образуват с O 2 пероксиди като NaO 2 и BaO 2. Други елементи и съединения реагират само с продукта на дисоциация O 2. При подходящи условия всички елементи, с изключение на благородните газове и металите Pt, Ag, Au, реагират с кислород. Тези метали също образуват оксиди, но при специални условия.

Електронната структура на кислорода (1s 2 2s 2 2p 4) е такава, че O атомът образува стабилна външна електронна обвивкадва електрона към външното ниво, образувайки O 2– йона. В оксиди на алкални метали, главно йонна връзка... Може да се предположи, че електроните на тези метали са почти изцяло привлечени към кислорода. При оксиди на по-малко активни метали и неметали електронният преход е непълен и плътността на отрицателния заряд върху кислорода е по-слабо изразена, следователно връзката е по-малко йонна или по-ковалентна.

Когато металите се окисляват с кислород, се отделя топлина, чиято стойност корелира със силата на връзката М – О. Когато някои неметали се окисляват, топлината се абсорбира, което показва по-малко силните им връзки с кислорода. Такива оксиди са термично нестабилни (или по-малко стабилни от йонно свързани оксиди) и често имат високо химическа активност... За сравнение, таблицата показва стойностите на енталпиите на образуване на оксиди на най-типичните метали, преходни метали и неметали, елементи от подгрупите A и B (знакът минус означава отделяне на топлина).

За свойствата на оксидите могат да се направят няколко общи извода:

1. Точките на топене на оксидите на алкалните метали намаляват с увеличаване на атомния радиус на метала; Така, т pl (Cs2O) t pl (Na2O). Оксидите, в които преобладава йонната връзка, имат повече високи температуриточка на топене от точката на топене на ковалентните оксиди: т pl (Na2O)> т pl (SO 2).

2. Оксидите на реактивоспособните метали (IA – IIIA подгрупи) са по-термично стабилни от оксидите на преходните метали и неметалите. Оксидите на тежките метали в най-висока степен на окисление при термична дисоциация образуват оксиди с по-ниски степени на окисление (например 2Hg 2+ O ® (Hg +) 2 O + 0,5O 2 ® 2Hg 0 + O 2). Такива оксиди във високи степени на окисление могат да бъдат добри окислители.

3. Най-активните метали взаимодействат с молекулния кислород при повишени температури, за да образуват пероксиди:

Sr + O 2 ® SrO 2.

4. Оксидите на активните метали образуват безцветни разтвори, докато оксидите на повечето преходни метали са оцветени и практически неразтворими. Водните разтвори на метални оксиди проявяват основни свойства и са хидроксиди, съдържащи ОН-групи, и оксиди на неметали в водни разтвориобразуват киселини, съдържащи Н+ йона.

5. Метали и неметали от A-подгрупи образуват оксиди със степен на окисление, съответстваща на номера на групата, например Na, Be и B образуват Na 1 2 O, Be II O и B 2 III O 3, и не- метали IVA – VIIA от подгрупи C, N , S, Cl форма C IV O 2, NV 2 O 5, S VI O 3, Cl VII 2 O 7. Номерът на групата на елемента корелира само с максималното окислително състояние, тъй като са възможни и оксиди с по-ниски степени на окисление на елементите. В процесите на горене на съединения, оксидите са типични продукти, например:

2H 2 S + 3O 2 ® 2SO 2 + 2H 2 O

Въглерод-съдържащите вещества и въглеводородите при слабо нагряване се окисляват (изгарят) до CO 2 и H 2 O. Примери за такива вещества са горивата - дърва, масло, алкохоли (както и въглерод - въглища, кокс и дървени въглища). Топлината от горивния процес се използва за производството на пара (и след това електричество или отива в електроцентрали), както и за отопление на къщи. Типичните уравнения за горивните процеси са:

а) дърво (целулоза):

(C 6 H 10 O 5) н + 6н O 2 ® 6 н CO 2 + 5 н H 2 O + топлинна енергия

б) нефт или газ (бензин C 8 H 18 или природен газ CH 4):

2C 8 H 18 + 25O 2 ® 16CO 2 + 18H 2 O + топлинна енергия

CH 4 + 2O 2 ® CO 2 + 2H 2 O + топлинна енергия

C 2 H 5 OH + 3O 2 ® 2CO 2 + 3H 2 O + топлинна енергия

г) въглерод (въглища или дървени въглища, кокс):

2C + O 2 ® 2CO + топлинна енергия

2CO + O 2 ® 2CO 2 + топлинна енергия

На горене подлежат и редица C-, H-, N-, O-съдържащи съединения с висок енергиен резерв. Кислородът за окисляване може да се използва не само от атмосферата (както в предишни реакции), но и от самото вещество. Леко активиране на реакцията, като шок или шок, е достатъчно, за да започне реакция. В тези реакции оксидите също са продукти на горене, но всички те са газообразни и се разширяват бързо при висока крайна температура на процеса. Следователно такива вещества са експлозивни. Примери за експлозиви са тринитроглицерин (или нитроглицерин) C 3 H 5 (NO 3) 3 и тринитротолуен (или TNT) C 7 H 5 (NO 2) 3.

Оксиди на метали или неметали с по-ниски степени на окисление на елемент реагират с кислород, за да образуват оксиди с високи степени на окисление на този елемент:

Естествените оксиди, получени от руди или синтезирани, служат като суровини за производството на много важни метали, например желязо от Fe 2 O 3 (хематит) и Fe 3 O 4 (магнетит), алуминий от Al 2 O 3 (алуминий ), магнезий от MgO (магнезия). Оксидите на леките метали се използват в химическата промишленост за производство на алкали или основи. Калиевият пероксид KO 2 се използва по необичаен начин, тъй като отделя кислород в присъствието на влага и в резултат на реакция с нея. Следователно KO 2 се използва в респираторите за получаване на кислород. Влагата от издишания въздух освобождава кислород в респиратора, докато KOH абсорбира CO 2. Получаване на CaO оксид и калциев хидроксид Ca (OH) 2 - мащабно производство в технологията на керамика и цимент.

Вода (водороден оксид).

Значението на водата H 2 O както в лабораторната практика за химичните реакции, така и в жизнените процеси изисква специално внимание на това вещество ВОДА, ЛЕД И ПАРА). Както вече споменахме, по време на директното взаимодействие на кислород и водород при условия, например, на искров разряд, възниква експлозия и образуване на вода, като се отделят 143 kJ / (mol H 2 O).

Водната молекула има почти тетраедрична структура, ъгълът H – O – H е 104 ° 30ў. Връзките в молекулата са частично йонни (30%) и частично ковалентни с висока плътност на отрицателен заряд за кислорода и съответно положителни заряди за водород:

Поради високата якост на H-O връзките, водородът почти не се отделя от кислорода и водата е много слаба. киселинни свойства... Много свойства на водата се определят от разпределението на зарядите. Например, водна молекула образува хидрат с метален йон:

Водата дава една електронна двойка на акцептор, който може да бъде H +:

Оксоаниони и оксокации

- кислородсъдържащи частици с остатъчен отрицателен (оксоаниони) или остатъчен положителен (оксокации) заряд. Йон O 2– има висок афинитет (висок реактивност) до положително заредени частици от типа H +. Най-простият представител на стабилните оксоаниони е хидроксидният йон OH -. Това обяснява нестабилността на атомите с висока плътност на заряда и тяхната частична стабилизация в резултат на прикрепването на частица с положителен заряд. Следователно, под действието на активен метал (или неговия оксид) върху вода, се образува OH -, а не O 2–:

2Na + 2H 2 O ® 2Na + + 2OH - + H 2

Na 2 O + H 2 O ® 2Na + + 2OH -

По-сложните оксоаниони се образуват от кислород с метален йон или неметална частица с голям положителен заряд, което води до ниско заредена частица с по-голяма стабилност, например:

° C се образува тъмно лилава твърда фаза. Течният озон е слабо разтворим в течен кислород и 49 cm 3 O 3 се разтваря в 100 g вода при 0 ° C. По отношение на химичните свойства озонът е много по-активен от кислорода и окислителни свойствана второ място след O, F 2 и OF 2 (кислороден дифлуорид). Нормалното окисление произвежда оксид и молекулен кислород O2. Под действието на озона върху активни метали при специални условия се образуват озониди от състава K + O 3 -. Озонът се получава в промишлеността за специални цели, той е добър дезинфектант и се използва за пречистване на вода и като белина, подобрява атмосферата в затворени системи, дезинфекцира предмети и храни, ускорява узряването на зърнени храни и плодове. V химическа лабораторияозонаторът често се използва за производство на озон, който е необходим за някои методи на химичен анализ и синтез. Каучукът лесно се разгражда дори при ниски концентрации на озон. В някои индустриални градове значителните концентрации на озон във въздуха водят до бързо влошаване на каучуковите изделия, ако не са защитени от антиоксиданти. Озонът е силно токсичен. Продължителното вдишване на въздух, дори при много ниски концентрации на озон, причинява главоболие, гадене и други неприятни състояния.