Кислород

ХимияХимия

Кислород

Кислород является самым распространенным эле­ментом земной коры. В атмосфере его находится около 23 весовых %, в со­ставе воды—около 89%. Если под­считать его количество в воздухе (атмосфере), воде (гидросфере) и доступной непосредственному химическому исследованию части твер­дой земной коры (литосфере), то окажется, что на долю кислорода приходится примерно 50% их общей массы. Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов: ­816O (99,76%), 817O (0,04%) и 818O (0,2%).

 

Физические свойства:

Газ без цвета запаха и вкуса, парамагнетик, что доказывает наличие неспаренных электронов (жидкий кислород притягивается к магниту). Плохо растворим в воде, но может растворяться в мелкодисперсных металлах или угле, тогда такие смеси будут применяться в качестве окислителя.

Свободный кислород состоит из двухатомных молекул. Под обыч­ным давлением он сжижается при -183°С, и затвердевает при —219°С. В газообразном состоянии кислород бесцветен, а в жидком и твердом имеет бледно-синюю окраску.

 

Получение кислорода:

1.     Промышленные способы:

Ø Электролиз воды:

2H2O→ 2H2+O2

Ø Пиролюзит и серная кислота («тривиальный» способ):

2MnO2+2H2SO4=2MnSO4+O2↑+2H2O

Ø Разложение пероксида бария:

2BaO2→2BaO+O2↑(температура примерно 500℃)

Ø Дифракционная перегонка жидкого воздуха.

Воздух сжижают, при температурах примерно −222,65 °C далее воздух начинают фракционно перегонять, постепенно получая из него кислород, азот и инертные газы. Этот метод основам на эффекте Джоуля- Томпсона.

Это интересно:

Все реакции окисления проходят в жидком воздухе намного быстрее, чем в газообразном. Так как в жидком воздухе, содержание кислорода больше, чем в газообразном (азот плавиться при -192.5 °C, а кислород при -183°С) и площадь соприкосновения реагентов больше.

2.     Лабораторные способы делятся на 2 вида:

1)    «Сухие»- разложение соединений, богатых кислородом, но термически неустойчивых:

·        KClO3→KCl+O2↑ (Эта реакция интересна тем, что она значительно ускоряется и идет при более низких температурах, если к КСl03 предварительно добавить немного двуокиси марганца (MnO2)).

·        KMnO4 →K2MnO4+MnO2+O2

·        NaNO3→NaNO2+O2

·        2Mg(NO3)2→2MgO+NO2+O2

·        2BaO2→2BaO+O2

·        2HgO→2Hg+O2

2)    «Мокрые»- проводят в растворах:

v 2MnO2+2H2SO4=2MnSO4+O2↑+2H2O

v 2KMnO4+5H2O2+3H2SO4→K2SO4+2MnSO4+5O2↑+8H2O

v 2H2O2 →2H2O+O2

v K2Cr2O7+H2 SO4→K2 SO4+H2 Cr2 O7

H2 Cr2O7 →2CrO3+H2O

4CrO3→2Сr2O3+3O2

Химические свойства:

Высокая энергия связи, высокая степень ионизации, высокая электроотрицательность выдает в нем типичный неметалл. Очень чистый кислород при н.у весьма инертен(высокая энергия связи).Но стоит лишь немного нагреть, и он становиться чрезвычайно реакционно способным.

1)    Реакции с простыми веществами. Кислород напрямую взаимодействует с многими простыми веществами, исключения-Ne,Ar, He.С галогенами и благородными металлами- только косвенно. Взаимодействуя с простыми веществами, он образует их оксиды:

O2+2Cu→2CuO

O2+S→SO2

Особенности проявляются при реакции с металлами I и II групп, главных подгрупп. Например, из всех металлов IA группы при непосредственным взаимодействием с кислородом нормальный оксид образуется только у лития, у натрия- пероксид, далее, чем ниже по периоду, тем больше преобладает в смеси пероксида и надпероксиданадпероксид.

4Li+O2→2Li2O

2Na+O2→Na2O2

K+O2→KO2

В реакциях кислорода и металлов IIA группы образуется в основном оксид, с небольшой примесью пероксида:

2Ba+O2→2BaO

4Pбелый+5O2→2P2O5(реакция идёт самопроизвольно, но при медленном пропускании тока O2над белым фосфором будет образовываться O3).

1) 4Pкрасный+5O2→2P2O5

2)4Pкрасный+3O2→2P2O3 (принято считать (и в задачах так и надо),что 1 реакция идет при избытке кислорода, а 2 при недостатке. Но это не так, обе реакции идут параллельно).

С азотом идет следующая реакция:

O2+N2→2NO (эта реакция происходила и происходит в атмосфере земли под действием грозовых разрядов и жесткого УФ излучения).

Уже кислородом воздуха окисляется железо, с образованием ржавчины:

O2+Fe→Fe2O3

2)    Реакции с сложными веществами. Можно разделить на несколько типов: реакции горения и медленного окисления.Кислород может переводить низшие оксиды в высшие:

2SO2+O2 2SO3

2CO+O22CO2

2NO+O2 2NO2

Реакции горения- идет с образованием оксидов элементов, из которых состоит вещество. Про органические вещества важно знать, что если в их состав входит металл, то образуется его карбонат; азот- молекулярный азот; галоген- галогеноводород; атомарная сера- молекулярная сера:

СXНYNZ+O2CO2+H2O+N2

СXНYОZ+O2CO2+H2O

2C2H6+7O2 =4CO2+6H2O

2H2S+302=2Н20+2S02↑+269 ккал

2H2S+02=2Н20+2S+127 ккал

Na2S03+02=2Na2S04

4HI+O2→2H2O+2I2

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

Так же молекулярный кислород способен соединяться с атомарным, с образованием озона-O3.

Подобно обычному кислороду, озон представляет собой простое вещество, озон является алло­тропическим видоизменением кислорода. Для молекулы его вероятнаструктурная формула: O=O=O с четырехвалентным атомом кислорода в центре.

На рисунке- озонатор, прибор для получения озона (более подробно ниже).

Общая реакция:

O2+O→O3

   Применение кислорода:

1.     Кислород широко применяется для получения высоких температур, которые достигаются путем сжигания различных горючих газов (водо­рода, светильного газа и т. д.) в смеси не с воздухом, а с чистым кис­лородом. Особенно распространено применение кислорода в смеси с ацетиленом (температура пламени около 3000°С) для сварки и резки металлов.

2.     В медицине вдыхание чистого кислорода иногда назначается при некоторых отравлениях, заболеваниях легких и др.

3.     Очень большое практическое значение имеет использование кислорода (чаще — обо­гащенного им воздуха) для интенсификации ряда важнейших произ­водственных процессов металлургической и химической промышлен­ности.

4.     Окислитель для ракетного топлива- применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива.

Озон.

В 1840 г. было получено газообразное вещество, состоя­щее из молекул 03 и сильно отличающееся по свойствам от обычного кислорода (02). Новый газ, обладающий характерным запахом, на­звали озоном (по-гречески — «пахучий»).Подобно обычному кислороду, озон представляет собой простоевещество. У земной поверхности озон образуется главным образом при гро­зовых разрядах и окислении некоторых органических веществ. В связи с этим заметные его количества обычно содержатся в воздухе хвой­ных лесов, где окислению подвергается древесная смола, и на берегу моря, где окисляются выброшенные прибоем водоросли.

Это интересно:

Среднее содержание озона в воздухе у земной поверхности составляет обычно от С,01 до 0,06 мг/м3. Общее его содержание в атмосфере соответствует слою газа толщиной приблизительно в 3 мм (при нормальном давлении). Основная масса озона сосредоточена в высоких слоях воздуха (10—30 км), где он образуется из кис­лорода под действием ультрафиолетовых лучей Солнца с длиной волны до 1850 . Более длинные волны (2000—3200 с максимумом действия при 2550 )вызывают, наоборот, распад озона. Таким образом, в атмосфере существует подвижное равно­весие между процессами образования и распада озона, на поддержание которого затрачивается около 5% всей идущей к Земле солнечной энергии. Поглощение озоном коротковолнового излучения Солнца имеет очень большое биологическое значение: если бы эти «жесткие» лучи свободно достигали земной поверхности, они быстро убили бы всю жизнь на ней

 

Физические свойства:

Газообразный озон голубоватого цвета, в жидком со­стоянии он становится темно-­синим, в твердом — почти чер­ным. Температура плавления озона -192°С, температура кипения -112°С. Во всех агрегатных состояниях озон способен взрываться от удара. Растворимость его в воде гораздо больше, чем кислорода.

Это интересно:

Под нормальным давлением озона 100 объемов воды растворяют при обычных температурах около 45 объемов этого газа. Еще лучшим его растворителем является четыреххлористый углерод, один объем которого в тех же условиях поглощает около трех объемов озона. Такой раствор имеет красивый голубой цвет.

 Получение:

1.     Получают озон чаще всего действием на газообразный кислород тихого разряда (электрического разряда без свечения и искр). При­меняемый для этого в лабораторных условиях прибор — озонатор(концы проводов присоединяют к полюсам индукционной катушки высокого напряжения). Тихий раз­ряд происходит в пространстве между стенками внутреннего и внешнего стеклянных сосудов. Выходящий из озонатора кислород содержит не­сколько процентов озона(до 15% по объёму). Его образование сопровождается уменьшением объема, так как по реакции З02 = 203 из 3 объемов кислорода получается 2 объема озона. Как видно, реакция идёт с уменьшением энтропии, следовательно, энергия Гиббса возрастает, следовательно, озон- неустойчивое соединение.

Для повышения выхода О3 вводить в озона­тор следует осушенный и охлажденный кислород.Образование озона идет в две стадии: первой является распад под дей­ствием тихого разряда молекулы кислорода на атомы (O2+119ккал=2O), вто­рой — соединение атомов кислорода с нераспавшимися молекулами

O2+O→O3+25 ккал

2.     Так же озон получается во всех реакциях, где получается и кислород.

2H2O2→2Н20+O2 (озон получается как примесь  к кислороду)

20+2F2→4HF+O2(выход озона примерно 30%, побочные продукты-OF2, H2O2)

Так же озон получают электролизом концентрированных HClO4, H2SO4, H3PO4. С последующим охлаждением на аноде, которых делается из платины, там происходит реакция:
O2+O→O3

Также озон можно получить из следующих реакций:

KMnO4+H2SO4→KHSO4+HMnO4

2HMnO4→Mn2O720

Mn2O7→2MnO2+O3

Химические свойства.

Молекула О3 легко отдает один атом кислорода. Поэтому озон является очень сильным окислителем. Под его действием почти все металлы (кроме Au, Pt и Iг) превращаются в оксиды, сер­нистые соединения окисляются в сернокислые, аммиак — в азотистую и азотную кислоты и т. д. Резина очень быстро разрушается озоном, а многие другие органические вещества (например, спирт) при сопри­косновении с ним воспламеняются. Эта исключительно высокая окис­лительная активность озона и является его наиболее характерным хи­мическим свойством.

Важно знать:

O3+2KI+Н202KOH+I2+O2 (качественная реакция на озон!)

Далее идут примеры реакций, протекающих при взаимодействии озона с различными веществами:

O3+2NO→N2O5 (это суммарное уравнение)

O3+NO→NO2+O2

O3+2NO2→N2O5

O3+N2→N2O+O2

2O3+2NH3→NH4NO320+O2

S+Н20+O3→H2SO4

3SO2+3Н20+O3→3H2SO4

3H2S+4O3→3H2SO4

2KOH+5O3→2KO3+5O220

KO2+O3→KO3+O2

Так же озон окисляет марганец до оксогидроксида марганца(в нейтральной среде) и до перманганата в щелочной. Pb2+ он окисляет до PbO2:

Pb2++O320→PbO2+O2+2H+

2Mn2++2O3+4Н20→2MnO(OH)2↓+2O2+4H+

2Mn2++2O3+6OH-→2MnO4-+0,5O2+3Н20

Это интересно:

После некоторого поверхностного окисления довольно хорошо противостоят действию озона Си, Ni и Sn. Не разрушается озоном также сплав железа (не содер­жащего углерода) с 25% хрома.

Действие озона на организм:

Запах озона становится заметным при концентрации его более 1:100000000 по объему. Продолжительное пребывание в атмосфере с содержанием озона порядка 1:1000000 вызывает раздражительность, чувство усталости и головную боль. При боле высоких концентрациях к этим симптомам добавляются тошнота, кровотечение из носа и воспаление глаз. В производственных условиях озон может образовываться всюду, где происходят электрические разряды или действует коротковолновое излу­чение. Повышенное его содержание часто обнаруживается, например, в рентгеновских кабинетах. Максимально допустимой концентрацией озона в закрытых помещениях считается 0,1 мг/м3.Наиболее опасное воздействие высоких концентраций озона в воздухе:

·         на органы дыхания прямым раздражением;

·         на органы размножения у самцов всех видов животных, в том числе и человека (вдыхание этого газа убивает мужские половые клетки и препятствует их образованию). Долгое нахождение в среде с повышенной концентрацией этого газа может стать причиной мужского бесплодия.

Применение озона:

Практическое применение озона основано на его сильном окисляющем и сте­рилизующем действии. Под действием озона погибают не только бактерии, но и гриб­ковые образования, и вирусы. Озонированным воздухом пользуются для дезинфекции помещений (холодильных складов и др.), устранения неприятных запахов (в куритель­ных комнатах и т. д), стерилизации питьевой воды, кондиционирования воздуха и проведения некоторых других окислительных процессов. Сжигание горючих веществ в атмосфере озона создает возможность резкого ускорения сгорания и получения бо­лее высоких температур, чем при сжигании тех же веществ в кислороде. Поэтому озон представляет большой интерес для реактивной техники.

Озоновый слой.

Часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), с наибольшим содержанием озона .Около 90 % атмосферного озона находится в стратосфере, главным образом на высоте от 20 до 40 км над поверхностью Земли. Его концентрация в стратосфере составляет от 2 до 8 частей на миллион. Озоновый слой поглощает от 97 до 99 % солнечного излучения в области длин волн от 200 до 315 нм.

Очень опасный ультрафиолет в диапазоне UV-c (100—280 нм) практически полностью поглощается кислородом (< 200 нм с образованием монокислорода и далее озона) и озоном (200—280 нм) в самых верхних слоях атмосферы, выше 35 км. Диапазон UV-b (315—280 нм), вызывающий загар и рак кожи, поглощается озоном почти полностью, до поверхности Земли доходит лишь несколько процентов, причём в длинноволновой части этого диапазона, тогда как на длине волны 290 нм коэффициент поглощения озонового слоя составляет 3,5×108. Диапазон UV-a (315—400 нм), ближайший к видимому свету(400—700 нм) почти не поглощается.Озоновый слой образовался в атмосфере Земли 500—600 млн лет назад, когда в ней вследствие фотосинтеза накопилось достаточно кислорода.Единицей измерения толщины озонового слоя служит единица Добсона (DU)- Одна единица Добсона равна слою озона 10 мкм при стандартных давлении и температуре. Это соответствует 2,69×1016 молекул озона на квадратный сантиметр поверхности Земли, или 0,447 милимоля на квадратный метр.

Механизмы разрушения озонового слоя:

1)    механизм чепмена:

O3+hν →O2+О∙

O3+O2O2

2)    Азотныйцикл (NOx):

N2O+ONO+NO

O3+NONO2+O2

NO2NO+O2

3)    Водородный цикл (HOx):

Н20+O2OH ∙

OH +O3НO2+O2

НO2+O3ОН+2O2

4)    Хлорный цикл (ClOx):

CFCl3+hνCFCl2 +Cl

Cl+O3 ClO+O2

ClO+O Cl+O2

Автор статьи: Каштанов Артём Денисович

Редактор: Харламова Галина Николаевна

Вернутся к темам