Кислород формула, строение элемента, химические и физические свойства, способы получения и применения, с какими соединениями реагирует

Кислород: химия кислорода

Кислород

Положение в периодической системе химических элементов

Кислород расположен в главной подгруппе VI группы (или в 16 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение кислорода

Электронная конфигурация кислорода в основном состоянии :

+8O 1s 2 2s 2 2p 4 1s 2s 2p

Атом кислорода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 2 неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии.

Физические свойства и нахождение в природе

Кислород О2 — газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. Плохо растворим в воде. Жидкий кислород – голубоватая жидкость, кипящая при -183 о С.

Озон О3 — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода.

Кислород — это самый распространённый в земной коре элемент. Кислород входит в состав многих минералов — силикатов, карбонатов и др. Массовая доля элемента кислорода в земной коре — около 47 %. Массовая доля элемента кислорода в морской и пресной воде составляет 85,82 %.

В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе.

Способы получения кислорода

В промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха.

Лабораторные способы получения кислорода:

  • Разложение некоторых кислородосодержащих веществ:

Разложение перманганата калия:

Разложение бертолетовой соли в присутствии катализатора MnO2 :

2KClO3 → 2KCl + 3O2

Разложение пероксида водорода:

2HgO → 2Hg + O2

Соединения кислорода

Основные степени окисления кислород +2, +1, 0, -1 и -2.

Оксиды металлов и неметаллов Na2O, SO2 и др.

Соли кислородсодержащих кислот

Кислородсодержащие органические вещества

Химические свойства

При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.

1. Кислород проявляет свойства окислителя (с большинством химических элементов) и свойства восстановителя (только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами , и с неметаллами . Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.

1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:

С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.

1.2. Кислород реагирует с серой и кремнием с образованием оксидов:

1.3. Фосфор горит в кислороде с образованием оксидов:

При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):

Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):

1.4. С азотом кислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000 о С), образуя оксид азота (II):

N2 + O2→ 2NO

1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием и алюминием кислород также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:

2Ca + O2 → 2CaO

Однако при горении натрия в кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

2Na + O2→ Na2O2

А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:

K + O2→ KO2

Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

2Zn + O2→ 2ZnO

Железо , в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:

2Fe + O2→ 2FeO

4Fe + 3O2→ 2Fe2O3

3Fe + 2O2→ Fe3O4

1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит , образуя оксид углерода (IV):

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C + O2 → 2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды . При этом образуются оксиды:

4FeS + 7O2→ 2Fe2O3 + 4SO2

Ca3P2 + 4O2→ 3CaO + P2O5

2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

  • летучие водородные соединения ( сероводород, аммиак, метан, силан гидриды . При этом также образуются оксиды:
Читайте также:
Пероксид водорода - формула, свойства, способы получения

2H2S + 3O2→ 2H2O + 2SO2

Аммиак горит с образованием простого вещества, азота:

4NH3 + 3O2→ 2N2 + 6H2O

Аммиак окисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):

4NH3 + 5O2→ 4NO + 6H2O

  • прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора ( сероуглерод, сульфид фосфора и др.):

CS2 + 3O2→ CO2 + 2SO2

  • некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления ( оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):

2CO + O2→ 2CO2

2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.

Например , кислород окисляет гидроксид железа (II):

Кислород окисляет азотистую кислоту :

2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:

CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O

2CH4 + 3O2→ 2CO + 4H2O

CH4 + O2→ C + 2H2O

Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)

Кислород

Кислород (лат. Oxygenium) – элемент VIa группы 2 периода периодической таблицы Д.И. Менделеева. Первым открывает группу халькогенов – элементов VIa группы.

Газ без цвета, без запаха, составляет 21% воздуха.

Общая характеристика элементов VIa группы

Общее название элементов VIa группы O, S, Se, Te, Po – халькогены. Халькогены (греч. χαλκος – руда + γενος – рождающий) – входят в состав многих минералов. Например, кислород составляет 50% массы земной коры.

От O к Po (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону.

Среди элементов VIa группы O, S, Se – неметаллы. Te, Po – металлы.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 2 np 4 :

  • O – 2s 2 2p 4
  • S – 3s 2 3p 4
  • Se – 4s 2 4p 4
  • Te – 5s 2 5p 4
  • Po – 6s 2 6p 4
Основное состояние атома кислорода

У атома кислорода (как и атомы азота, фтора, неона) нет возбужденного состояния, так как отсутствует свободная орбиталь с более высоким энергетическим уровнем, куда могли бы перемещаться валентные электроны.

Атом кислорода имеется два неспаренных электрона, максимальная валентность II.

Природные соединения
  • Воздух – в составе воздуха кислород занимает 21% (это число пригодится в задачах!)
  • В форме различных минералов в земной коре кислорода содержится около 50%
  • В живых организмов кислород входит в состав органических веществ: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот
Получение

В промышленности кислород получают из сжиженного воздуха. Также активно применяются кислородные установки, мембрана которых устроена как фильтр, отсеивающие кислород (мембранная технология).

В лаборатории кислород получают разложением перманганата калия (марганцовки) или бертолетовой соли при нагревании. Применяется реакция каталитического разложения пероксида водорода.

На подводных лодках для получения кислорода применяют следующую реакцию:

Химические свойства

Является самым активным неметаллом после фтора, образует бинарные соединения со всеми элементами кроме гелия, неона, аргона. Чаще всего реакции с кислородом экзотермичны (горение), ускоряются при повышении температуры.

    Реакции с неметаллами

Во всех реакциях, кроме взаимодействия со фтором, кислород проявляет себя в качестве окислителя.

2C + O2 = (t) 2CO (неполное окисление – угарный газ, соотношение 2:1)

C + O2 = (t) CO2 (полное окисление – углекислый газ, соотношение 1:1)

F + O2 → OF2 (фторид кислорода, O +2 )

В реакциях кислорода с металлами образуются оксиды, пероксиды и супероксиды. Реакции с активными металлами идут без нагревания.

Известна реакция горения воды во фторе.

Все органические вещества сгорают с образованием углекислого газа и воды.

При применении катализаторов и особых реагентов в органической химии достигают контролируемого окисления: алканы окисляются до спиртов, спирты – до альдегидов, альдегиды – до кислот.

Процесс можно остановить на любой стадии в зависимости от желаемого результата.

Читайте также:
Аминокислоты ⚗️ общая формула, строение, химические и физические свойства

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Кислород – характеристика элемента, распространённость в природе, физические и химические свойства, получение

Кислород О имеет атомный номер 8, расположен в главной подгруппе (подгруппе а) VI группе, во втором периоде. В атомах кислорода валентные электроны размещаются на 2-м энергетическом уровне, имеющем только s— и p-орбитали. Это исключает возможность перехода атомов О в возбуждённое состояние, поэтому кислород во всех соединениях проявляет постоянную валентность, равную II. Имея высокую электроотрицательность, атомы кислорода всегда в соединениях заряжены отрицательно (с.о. = -2 или -1). Исключение – фториды OF2 и O2F2.

Для кислорода известны степени окисления -2, -1, +1, +2

Общая характеристика элемента

Кислород – самый распространенный элемент на Земле, на его долю приходится чуть меньше половины, 49 % от общей массы земной коры. Природный кислород состоит из 3 стабильных изотопов 16 О, 17 О и 18 О (преобладает 16 О). Кислород входит в состав атмосферы (20,9 % по объему, 23,2 по массе), в состав воды и более 1400 минералов: кремнезема, силикатов и алюмосиликатов, мраморов, базальтов, гематита и других минералов и горных пород. Кислород составляет 50-85% массы тканей растений и животных, т.к содержится в белках, жирах и углеводах, из которых состоят живые организмы. Общеизвестна роль кислорода для дыхания, для процессов окисления.

Кислород сравнительно мало растворим в воде – 5 объемов в 100 объемах воды. Однако, если бы весь растворенный в воде кислород перешел в атмосферу, то он занял бы огромный объем – 10 млн км 3 ( н.у). Это равно примерно 1% всего кислорода в атмосфере. Образование на земле кислородной атмосферы обусловлено процессами фотосинтеза.

Открыт шведом К. Шееле ( 1771 – 1772 г.г) и англичанином Дж. Пристли ( 1774г.). Первый использовал нагревание селитры, второй – оксида ртути (+2). Название дал А.Лавуазье («оксигениум» — «рождающий кислоты»).

В свободном виде существует в двух аллотропных модификациях – «обыкновенного» кислорода О2 и озона О3.

Строение молекулы озона

2 = 2О3 – 285 кДж
Озон в стратосфере образует тонкий слой, который поглощает большую часть биологически вредного ультрафиолетового излучения.
При хранении озон самопроизвольно превращается в кислород. Химически кислород О2 менее активен, чем озон. Электроотрицательность кислорода 3,5.

Физические свойства кислорода

O2 – газ без цвета, запаха и вкуса, т.пл. –218,7 °С, т.кип. –182,96 °С, парамагнитен.

Жидкий O2 голубого, твердый – синего цвета. O2 растворим в воде (лучше, чем азот и водород).

Получение кислорода

1. Промышленный способ — перегонка жидкого воздуха и электролиз воды:

2О → 2Н2 + О2

2. В лаборатории кислород получают:
1.Электролизом щелочных водных растворов или водных растворов кислородосодержащих солей (Na2SO4 и др.)

2. Термическим разложением перманганата калия KMnO4:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2↑,

Бертолетовой соли KClO3:
2KClO3 = 2KCl + 3O2↑ (катализатор MnO2)

3. Разложением пероксида водорода:
2H2O2 = H2O + O2↑ (катализатор MnO2)

Если смешать K2O2 и K2O4 в равномолярных (т.е. эквимолярных) количествах, то на 1 моль поглощенного СО2 выделится один моль О2.

Химические свойства кислорода

Кислород поддерживает горение. Горение — быстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и света. Чтобы доказать, что в склянке находится кислород, а не какой-то другой газ, надо в склянку опустить тлеющую лучинку. В кислороде тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Горение различных веществ на воздухе – это окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является кислород. Окислители – это вещества, «отбирающие» электроны у веществ-восстановителей. Хорошие окислительные свойства кислорода можно легко объяснить строением его внешней электронной оболочки.

Читайте также:
Химический элемент озон структурная формула, состав и строение газа

Валентная оболочка кислорода расположена на 2-м уровне – относительно близко к ядру. Поэтому ядро сильно притягивает к себе электроны. На валентной оболочке кислорода 2s 2 2p 4 находится 6 электронов. Следовательно, до октета недостает двух электронов, которые кислород стремится принять с электронных оболочек других элементов, вступая с ними в реакции в качестве окислителя.

Кислород имеет вторую (после фтора) электроотрицательность в шкале Полинга. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений с другими элементами кислород имеет отрицательную степень окисления. Более сильным окислителем, чем кислород, является только его сосед по периоду – фтор. Поэтому соединения кислорода с фтором – единственные, где кислород имеет положительную степень окисления.

Итак, кислород – второй по силе окислитель среди всех элементов Периодической системы. С этим связано большинство его важнейших химических свойств.
С кислородом реагируют все элементы, кроме Au, Pt, He, Ne и Ar, во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород — окислитель.

Кислород легко реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами:

Мелкий порошок железа ( так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe2O3, а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:

С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:

Почти все реакции с участием кислорода O2 экзотермичны, за редким исключением, например:

N2 + O2 2NO – Q

Эта реакция протекает при температуре выше 1200 o C или в электрическом разряде.

Кислород способен окислить сложные вещества, например:

2H2S + O2 → 2S + 2H2O (недостаток кислорода),

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (в присутствии катализатора Pt ),

Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O2 + , например, O2 + [PtF6] — (успешный синтез этого соединения побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).

Озон химически более активен, чем кислород O2. Так, озон окисляет иодид — ионы I — в растворе Kl:

Озон сильно ядовит, его ядовитые свойства сильнее, чем, например, у сероводорода. Однако в природе озон, содержащийся в высоких слоях атмосферы, выполняет роль защитника всего живого на Земле от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Тонкий озоновый слой поглощает это излучение, и оно не достигает поверхности Земли. Наблюдаются значительные колебания в толщине и протяженности этого слоя с течением времени (так называемые озоновые дыры) причины таких колебаний пока не выяснены.

Применение кислорода O2: для интенсификации процессов получения чугуна и стали, при выплавке цветных металлов, как окислитель в различных химических производствах, для жизнеобеспечения на подводных кораблях, как окислитель ракетного топлива (жидкий кислород), в медицине, при сварке и резке металлов.

Применение озона О3: для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.

Физические и химические свойства кислорода

Атомная масса – 16 а.е.м. Молекула кислорода двухатомна и имеет формулу – О2

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» (F2O). Для кислорода характерно проявление явления аллотропии – существования в виде нескольких простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропные модификации кислорода – кислород O2 и озон O3.

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:

Читайте также:
Этиленгликоль - определение, формула, виды, способы получения

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:

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

2H2S + 3O2 = 2SO2↑ + 2H2O (t);

4NH3 + 3O2 = 2N2↑ + 6H2O (t);

4NH3 + 5O2 = 4NO↑ + 6H2O (t, kat);

2PH3 + 4O2 = 2H3PO4 (t);

4FeS2+11O2 = 2Fe2O3 +8 SO2↑ (t).

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

2CO + O2 = 2CO2 (t);

2SO2 + O2 = 2SO3 (t, V2O5);

4FeO + O2 = 2Fe2O3 (t).

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

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:

Примеры решения задач

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):

Зная объем выделившегося кислорода, найдем его количество вещества:

моль.

Согласно уравнению реакции n(HgO):n(O2) = 2:1, следовательно,

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:

Определим массовую долю разложившегося оксида:

Задание Вычислите, какое количество теплоты выделится при сжигании 100 л водорода (н.у.). Термохимическое уравнение реакции: 2H2+O2 = 2H2O+572 кДж.
Решение Еще раз запишем уравнение реакции:

Вычислим количество вещества водорода:

n(H2) = 100/22,4 = 4,46 моль.

Количество вещества связано с его массой формулой:

Молярная масса (молекулярная масса одного моль) водорода, рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 2 г/моль. Тогда водорода равна:

Количество вещества водорода, согласно термохимическому уравнению равно 2 моль, тогда, его теоретическая масса будет равна 4 г. Составим пропорцию:

8,92 г Н2 – Q кДж тепла

4 г Н2 – 572 кДж тепла.

Найдем, количество теплоты, выделившееся при сжигании 100 л водорода:

Кислород – формула, свойства и характеристика химического элемента

Общие сведения

Кислород — это газообразный химический элемент. Он обозначается символом O, имеет атомный номер 8 и атомный вес 15,9994, а его молярная масса 32 г/моль. Формула кислорода О2. Схема электронной конфигурации атома кислорода — 1s 2 2s 2 2p 4. Строение атома кислорода имеет две оболочки, как и все элементы, расположенные во втором периоде.

Он представляет большой интерес, поскольку является важнейшим элементом дыхательных процессов большинства живых клеток и процессов сгорания. Это самый распространённый элемент в земной коре. Почти одна пятая (по объёму) воздуха — это О2. Степень окисления -2.

В нормальных условиях О2 — бесцветный газ без запаха и вкуса. Он конденсируется в светло-голубой жидкости. Это реакционноспособный элемент, который образует оксиды со всеми другими элементами, кроме гелия, неона, аргона и криптона. Он умеренно растворим в воде (30 см3 на 1 л растворяющейся воды) при температуре 20 градусов Цельсия.

История открытия

Что такое воздух? Древние народы глубоко задумывались над этим вопросом. И это не удивительно, когда понимаешь, насколько важен воздух для многих процессов. Объекты не могут гореть без воздуха. Человек не может выжить без воздуха. На самом деле, древние народы думали, что воздух должен быть «элементом». Но они использовали слово «элемент» в несколько ином значении, нежели современные учёные. Для древних людей элемент был чем-то очень важным и основным. Воздух соответствует этому описанию, наряду с огнём, водой и землёй. Впоследствии многие учёные повлияли на открытие такого элемента, как кислород:

  • Первым человеком в Западной Европе, который описал «части» воздуха, был итальянский художник и учёный Леонардо да Винчи (1452−1519). Леонардо отметил, что воздух не полностью расходуется, когда в нем что-то сжигается. Поэтому он сказал, что воздух должен состоять из двух частей: одной части, которая расходуется на горение, и одной части, которая не участвует в процессе. В течение многих лет идеи Леонардо были не очень популярны среди учёных. Проблема заключалась в том, что у первых химиков не было хорошего оборудования, как в современных лабораториях. Им было сложно собрать образцы воздуха, а затем изучить его.
  • В начале 1700-х химики начали узнавать больше о воздухе, но несколько окольным путём. Например, в 1771 и 1772 годах Карл Вильельм Шееле изучал влияние тепла на ряд соединений. В одном эксперименте он использовал карбонат серебра (Ag 2 CO 3), карбонат ртути (HgCO 3) и нитрат магния (Mg (NO 3) 2). Когда он нагревал эти соединения, он обнаружил, что выделялся газ. Затем он изучил свойства этого газа и обнаружил, что пламя ярко горело в нём. Он также заметил, что животные в нём могут безболезненно находиться. Не зная этого, Шееле открыл кислород.
  • Примерно через два года Джозеф Пристли провёл аналогичные эксперименты, нагревая оксид ртути (HgO) в пламени. Соединение распалось, в результате чего образовались жидкая металлическая ртуть и газ. Когда Пристли проверил новый газ, он обнаружил те же свойства и характеристики, что и Шееле. Пристли даже пытался вдохнуть тот газ, получение которого ему удалось осуществить.
  • Антуана-Лорана Лавуазье (1743−94) часто называют отцом современной химии. Он получил это звание по ряду причин. Наиболее важной из них является объяснение, которое он открыл для процесса сгорания (горения). До исследования Лавуазье химики считали, что горящий объект выделяет вещество в воздух. Они назвали это вещество флогистоном. Например, когда горело дерево, химики говорили, что флогистон перешёл из дерева в воздух. Лавуазье показал, что эта идея неверна. Когда что-то горит, это на самом деле происходит реакция с кислородом в воздухе. Горение, сказал Лавуазье, — это просто окисление (процесс, при котором какое-либо вещество соединяется с О2). Это открытие дало химикам совершенно новый взгляд на химические изменения. Теория флогистона постепенно начала вымирать. Начали развитие многие идеи, которые сегодня используются в современной химии.

Некоторые люди думают, что Шееле следует отдать должное за открытие кислорода. Он завершил свои эксперименты раньше, чем Пристли. Но его издатель очень медленно печатал отчёты учёного. Они действительно вышли после отчётов Пристли. Таким образом, большинство историков сходится во мнении, что Шееле и Пристли должны разделить между собой право на открытие кислорода.

Ни Шееле, ни Пристли до конца не понимали важность их открытия. Этот шаг был предпринят французским химиком Антуаном-Лораном Лавуазье (1743−94). Лавуазье был первым человеком, который объявил, что новый газ является элементом. Он был также первым человеком, который объяснил, как кислород участвует в горении. Кроме того, он предложил название для газа.

Слово oxygenium («кислород») происходит от греческих слов, обозначающих «рождающий кислоту». Лавуазье выбрал такое название, потому что думал, что все кислоты содержат О2. Поэтому новый элемент отвечал за «образование кислот». Однако в этом отношении Лавуазье ошибся. Не все кислоты содержат кислород.

Элемент в окружающей среде

Земная кора состоит в основном из кремниево-кислородных минералов, и многие другие элементы присутствуют в виде их оксидов. Газообразный кислород составляет пятую часть атмосферы. О2 в атмосфере Земли образуется в результате фотосинтеза растений, он накапливался в течение длительного времени, поскольку они использовали обильные запасы углекислого газа в ранней атмосфере и выделяли кислород.

Элемент хорошо растворяется в воде, что делает возможной жизнь в реках, озёрах и океанах. Вода в этих водоёмах должна регулярно снабжаться кислородом, поскольку, когда запасы О2 в ней истощаются, она больше не может поддерживать рыбу и другие водные организмы.

Почти все химические вещества, кроме инертных газов, связываются с кислородом с образованием соединений. Вода, H2O и кремнезём, SiO2, основной компонент песка, являются одними из наиболее распространённых двойных кислородных соединений. Среди соединений, которые содержат более двух элементов, наиболее распространёнными являются силикаты, которые образуют большинство пород и почв. Другими соединениями, которые в изобилии встречаются в природе, являются карбонат кальция (известняк и мрамор), сульфат кальция (гипс), оксид алюминия (боксит) и различные оксиды железа, которые используются в качестве источника металла.

Элемент встречается во всех видах минералов. Некоторые общие примеры включают оксиды, карбонаты, нитраты, сульфаты и фосфаты. Оксиды — это химические соединения, которые содержат кислород и ещё один элемент. Карбонаты — это соединения, которые содержат кислород, углерод и ещё один элемент. В качестве примера можно привести карбонат натрия или соду, кальцинированную соду или солевую соду (Na2CO3), которая часто встречается в моющих и чистящих средствах.

Нитраты, сульфаты и фосфаты также содержат кислород. Другими элементами в этих соединениях являются азот, сера или фосфор плюс ещё один элемент. Примерами этих соединений являются нитрат калия или селитра (KNO3), сульфат магния или соли Эпсома (MgSO4) и фосфат кальция (Ca3 (PO 4)2).

Изотопы кислорода

Есть три естественных изотопа О2: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Изотопы — это две или более формы элемента. Они отличаются друг от друга по их массовому числу. Число, написанное справа от названия элемента, является массовым числом. Оно представляет количество протонов плюс нейтронов в ядре атома элемента. Количество протонов определяет элемент, но количество нейтронов в атоме любого одного элемента может варьироваться. Каждая вариация является изотопом.

Известно также пять радиоактивных изотопов элемента. Радиоактивный изотоп — это тот, который распадается на части и испускает некоторую форму радиации. Радиоактивные изотопы образуются, когда очень маленькие частицы обжигают атомы. Эти частицы прилипают к атомам и делают их радиоактивными.

Воздействие на здоровье

Кислород необходим для всех форм жизни, так как он является составной частью ДНК и почти всех других биологически важных соединений. В лёгких этот элемент поглощается атомом железа в центре гемоглобина в крови и, таким образом, транспортируется туда, где он необходим.

Каждый человек нуждается в этом элементе, чтобы дышать, но, как и во многих случаях, слишком большое его количество вредно. Если человек подвергается воздействию большого количества О2 в течение длительного времени, может произойти повреждение лёгких. Вдыхание 50−100% кислорода при нормальном давлении в течение длительного периода приводит к повреждению лёгких. Люди, которые работают с частым или потенциально высоким воздействием чистого элемента, должны пройти тесты на функционирование лёгких до начала работы и по завершении.

Химические свойства

При стандартной температуре и давлении два атома элемента связываются, образуя диоксид кислорода, двухатомный газ без цвета, запаха и вкуса, с формулой O2. Этот элемент является членом группы халькогенов в периодической таблице Менделеева и является высокореактивным неметаллическим элементом. Он легко образует соединения (в частности, оксиды) почти со всеми другими элементами.

Кислород является сильным окислителем и обладает второй по величине электроотрицательностью среди всех реактивных элементов, уступая только фтору. По массе кислород является третьим по распространённости элементом во вселенной после водорода и гелия и наиболее распространённым по массе элементом в земной коре, составляя почти половину массы земной коры. Свободный кислород химически реактивен, чтобы появляться на Земле без фотосинтетического действия живых организмов, которые используют энергию солнечного света для производства элементарного кислорода из воды.

Элементарный O2 начал накапливаться в атмосфере только после эволюционного появления фотосинтезирующих организмов, примерно 2,5 миллиарда лет назад. Двухатомный газообразный кислород в настоящее время составляет 20,8% от объёма воздуха.

Наиболее важными химическими свойствами кислорода являются:

  • Поддержание горения. Он помогает другим объектам гореть. Сжигание древесного угля является примером. Древесный уголь — практически чистый углерод.
  • Соединяется с элементами при комнатной температуре. Ржавчина является примером. Ржавчина — это процесс, при котором металл соединяется с О2.
  • Реагирует со многими соединениями. Распад — это процесс, благодаря которому некогда живое вещество соединяется с кислородом. Продуктами распада являются в основном диоксид углерода (CO2) и вода (H2O):

Сам О2 не горит. Зажжённая спичка в баллоне с чистым элементом горит гораздо ярче, но кислород не загорается.

Физические свойства

Кислород более растворим в воде, чем азот. Вода содержит приблизительно одну молекулу O2 на каждые две молекулы N2 по сравнению с атмосферным отношением приблизительно от одного до четырёх. Плотность кислорода в газообразном состоянии 1,42897 кг/м3. Другими физическими свойствами элемента являются:

  • Газ в нормальном состоянии бесцветный, без запаха и вкуса. Жидкий кислород слегка парамагнитен. Он реактивен и образует оксиды со всеми элементами, кроме гелия, неона, криптона и аргона. Умеренно растворим в воде.
  • Элемент конденсируется при температуре -182,95С, а замерзает при -218,79С. И в жидком, и в твёрдом состоянии является прозрачным веществом светло-голубого цвета.
  • Существование элемента в двух аллотропных формах. Аллотропы — это модификации элемента с различными физическими и химическими свойствами. Аллотропы О2 — это двухатомный кислород и озон, или трёхатомный. Озон встречается в довольно больших количествах в особых условиях. Например, необычно большое количество озона находится в верхних слоях атмосферы Земли. Этот озоновый слой важен для жизни на планете. Он защищает от вредного излучения, которое исходит от Солнца. Озон на уровне земли бесполезен для жизни и может вызвать проблемы со здоровьем у растений, людей и животных.
  • Атомарный кислород очень высоко активен. Он способен окислять атомы элементов, которые несвойственны этому организму, и является одним из сильнейших антиоксидантов, который устраняет кислородное голодание тканей и уничтожает практически любую патогенную микрофлору (грибы, вирусы, бактерии и другие) и лишние свободные радикалы.

Применение кислорода

Молекулярный диоксид O2 необходим для клеточного дыхания у всех аэробных организмов. Его реакционноспособные виды, такие как супероксид-ион (O2-) и пероксид водорода (H2O2), являются опасными побочными продуктами использования кислорода в организмах. Однако части иммунной системы высших организмов используют реактивный пероксид, супероксид и синглетный кислород для уничтожения вторгающихся микробов. Реактивные виды также играют важную роль в гиперчувствительной реакции растений на воздействие патогенных микроорганизмов.

В состоянии покоя взрослый человек вдыхает от 1,8 до 2,4 г кислорода в минуту. Это составляет более 6 миллиардов тонн элемента, вдыхаемого человечеством в год. Сферы использования включают в себя следующие:

  • Люди, у которых есть проблемы с дыханием, используют кислородные маски и резервуары, чтобы получить необходимый им кислород.
  • Он используется в ракетном топливе, сочетается с водородом в двигателе. Когда водород и кислород объединяются, они выделяют очень большое количество энергии. Энергия используется для запуска ракеты в космос.
  • На производство металла приходится самый большой процент использования О2. Например, элемент используется для сжигания углерода и других примесей, которые содержатся в железе для производства стали. Небольшое количество этих примесей может быть полезным для стали, но слишком большое делает его ломким и непригодным для использования. Углерод и другие примеси сжигаются при производстве стали путём продувки О2 через расплавленное железо.
  • Используется при производстве таких металлов, как медь, свинец и цинк. Эти металлы встречаются в земле в форме сульфидов, таких как сульфид меди (CuS), сульфид свинца (PbS) и сульфид цинка (ZnS). Первым шагом в извлечении этих металлов является превращение их в оксиды. Затем оксиды нагревают с углеродом, чтобы получить чистые металлы.
  • Применяется в химической промышленности в качестве исходного материала для производства некоторых очень важных соединений. Иногда этапы перехода от кислорода к конечному соединению являются длительными. Например, газообразный этилен (C2H4) может быть обработан кислородом с образованием этиленоксида (CH2CH2O). Около 60% полученного этиленоксида превращается в этиленгликоль (CH2CH2 (OH)2). Этиленгликоль используется в качестве антифриза и служит отправной точкой при производстве полиэфирных волокон, плёнки, пластиковых контейнеров, пакетов и упаковочных материалов
  • Используется в оксиацетиленовой сварке, в качестве окислителя для ракетного топлива, а также в производстве метанола и этиленоксида.
  • Растения и животные используют его для дыхания.
  • Чистый кислород часто используется для облегчения дыхания у пациентов с респираторными заболеваниями.

Кислород и его соединения играют ключевую роль во многих важных процессах жизни и промышленности

Кислород, строение молекулы, способы получения, физические и химические свойства. Озон, его получение, свойства и применение.

Кислоро́д — элемент 16-й группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 8. 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 .

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:

Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н2О2 в присутствии оксида марганца(IV):

На подводных лодках обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:

Физические свойства.

Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде и спирте. Хорошо растворяется в расплавленном серебре. Является парамагнетиком. Жидкий кислород (температура кипения −182,98 °C) — это бледно-голубая жидкость. Твёрдый кислород (температура плавления −218,35 °C) — синие кристаллы.

Химические свойства.

Сильный окислитель, взаимодействует со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона и фтора, образуя оксиды. Степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры.

Кислород реагирует непосредственно со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов, реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.

Озо́н — состоящая из трёхатомных молекул O3 аллотропная модификация кислорода. При нормальных условиях — голубой газ. При сжижении превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие, практически чёрные кристаллы.

Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п.

Получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить.

Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.

Применяют: сильного окисляющего реагента, для стерилизации изделий медицинского назначения, отбеливания бумаги, очистки масел, очистки воды и воздуха.

“Кислород: значение, получение, физические и химические свойства, применение”

Разделы: Химия

«Свободный кислород – самый могущественный деятель из всех известных нам химических тел земной коры».
В.И.Вернадский

Цели и задачи:

  • Знать значение кислорода
  • Знать историю открытия кислорода
  • Знать свойства кислорода и его применение
  • Уметь давать характеристику кислороду как химическому элементу и как простому веществу.
  • Уметь составлять уравнения реакций взаимодействия кислорода с металлами и неметаллами.
  • Закрепить умения расстановки коэффициентов в уравнениях реакций.

Оборудование и реактивы:

Для опыта «Получение кислорода разложением пероксида водорода в присутствии катализатора»: металлический штатив, перекись водорода (3%-ный раствор), оксид марганца (IV), колба, воронка с краном, газоотводная трубка, химический стаканчик для собирания кислорода методом вытеснения воздуха, лучинка, спички.

Для опыта «Несгораемый платок»: спирт, вода, щипцы, носовой платок, два маленьких кристаллизатора, спички.

Т.С.О.

  • Коллекция «Минералы»
  • Справочник по минералогии
  • Компьютер, мультимедиа-приставка.
  • Презентация урока с использованием материалов «Образовательной коллекции» (Приложение 1)
  • Таблица «Кислород в природе»

Ход урока

1) Значение кислорода

Кислород – это сознание человека. Он особенно необходим мозгу. Клетки мозга разлагаются и умирают без кислорода гораздо быстрее других клеток организма.

62% массы человека – это масса всех атомов кислорода, входящих в состав тела.

Кислород входит в состав органических соединений: белков, жиров, углеводов, витаминов, ферментов, гормонов.

Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива.

2) Характеристика кислорода как химического элемента

  • Химический знак – О,
  • латинское название – Оxygenium,
  • Аr(O) = 16;
  • валентность – II,
  • степень окисления в соединениях: – 2;
  • содержание в земной коре – I место – более 49% ,
  • самые распространённые оксиды: оксид водорода (вода) – H2O, оксид кремния – SiO2 , оксид алюминия – Al2O3 .
  • кварцSiO2 эту устойчивую при низких температурах модификацию обычно называют просто кварцем; происхождение названия остается неизвестным. Кварц является одним из наиболее распространенных в земной коре.
  • аметистSiO2
  • горный хрусталь –SiO2
  • агат –SiO2
  • рубин – Аl2О3 – одна из разновидностей корунда
  • изумруд –Be3Al2[Si6O18] – одна из разновидностей берилла. Химический состав: SiO2 66,9%. Al2O3 19,0 %, BeO 14,1%, в виде примесей содержатся Na2O,K2O,Li2O, иногда Rb2O,Cs2O.
  • александрит –BeAl2O4 – разновидность хризоберилла “хризос” по гречески – золото. Химический состав.Al2O380,2 %. BeO 19,8 %, Всегда присутствуют примеси: FeO (3,5-6%), иногда TiO2 (до 3%) и Cr2O3 (до 0,4%), с чем связана окраска александрита. Цвет александрита изумрудно-зеленый, а при электрическом освещении – фиолетово-красный.

3) Характеристика кислорода как простого вещества

  • Химическая формула – О2 , Mr =32; М = 32 г / моль.
  • В составе атмосферы около 21 % кислорода, (1/5 часть).
  • Ежегодно в результате фотосинтеза в атмосферу Земли поступает 3000 млрд. тонн кислорода.
  • Основные поставщики кислорода – тропические леса и фитопланктон океана.
  • Человек в сутки вдыхает примерно 750 литров кислорода.
  • Полное прохождение атмосферного кислорода через систему биологического круговорота составляет 2000 лет!

4) Физические свойства кислорода

  • бесцветный газ, без вкуса, без запаха,
  • малорастворим в воде,
  • немного тяжелее воздуха, (Мвозд.= 29 г/моль)
  • tсжижения = -183°C, голубая жидкость,
  • tзамерзания= -218,8°C, синие кристаллы,

5) История открытия кислорода

  • Древние греки: «Воздух – сложное тело».
  • VIII век, Китай, Мао Хоа: «Воздух состоит из «полного воздуха» (азота) и «неполного воздуха» (кислорода).
  • Карл Шееле, Швеция, опыты с 1768 по 1773: «Исследования воздуха являются в настоящее время важнейшим предметом химии». Получил кислород при нагревании селитры.
    1772 год: «Атмосферный воздух состоит из двух частей: «огненный воздух» – поддерживает дыхание и горение, «испорченный воздух» – не поддерживает горения».
  • Джозеф Пристли, Англия, 1774 год: «Но что поразило меня больше всего – это то, что свеча горела в этом воздухе удивительно блестящим пламенем».
    При нагревании оксида ртути Дж.Пристли получил бесцветный газ, который мало растворялся в воде и поддерживал горение свечи.
  • Антуан Лоран Лавуазье, Франция, 1777 год
    Подлинная природа этого газа была установлена во Франции: Лавуазье выяснил, что кислород – простое вещество и какую роль он играет в процессах окисления. Название Oxygenium – «рождающий кислоту», предложено Лавуазье.

6) Получение в лаборатории

Демонстрационный опыт (слайд 15): получить кислород способом разложения перманганата калия при нагревании; собрать его методом вытеснения воздуха, подтвердить наличие кислорода тлеющей лучинкой:

Демонстрационный опыт: получить кислород способом разложения перекиси водорода в присутствии катализатора оксида марганца (IV); собрать его методом вытеснения воды, подтвердить наличие кислорода тлеющей лучинкой:

7) Получение в промышленности

8) Химические свойства кислорода

  • облегчает дыхание;
  • поддерживает горение;
  • повышает температуру пламени;
  • ускоряет химические реакции;

Где и как человек использует эти свойства кислорода?

  • взаимодействует с металлами (слайды 17-19)

Записать уравнения реакций, расставить коэффициенты, назвать образующиеся вещества. Что такое оксиды?

Оксиды – бинарные соединения металлов и неметаллов с кислородом. На первом месте в формуле оксида пишут химический знак элемента, на втором – химический знак кислорода.

Fe2O3 – оксид железа (III), FeO – оксид железа (II), (Fe2O3 и FeO) – Fe3O4 – железная окалина, MgO – оксид магния.

  • взаимодействует с неметаллами; (слайды 20-21)

Записать уравнения реакций, расставить коэффициенты, назвать образующиеся вещества

  • взаимодействует со сложными веществами, (слайд 22) демонстрационный опыт: «несгораемый платок»:

Реакции взаимодействия простых и сложных веществ с кислородом называются реакциями окисления.

9) Закрепление изученного материала

Кто назвал кислород «огненным», а азот « испорченным» воздухом?
А) Лавуазье, В) Пристли, С) Шееле.

Какие вещества образует химический элемент кислород?
А) только простые вещества, В) простые и сложные вещества, С) только сложные вещества.

Как называются бинарные соединения, молекулы которых образованы атомами какого-либо химического элемента и кислорода:
А) сульфиды, В) хлориды, С) оксиды.

В 1774 году один учёный после проведённого эксперимента написал: «Но что поразило меня больше всего – это то, что свеча горела в этом воздухе удивительно блестящим пламенем…» Это был:
А) Лавуазье, В) Пристли, С) Шееле.

Название «Оxygenium» предложил:
А) Лавуазье, В) Пристли, С) Шееле.

Кислород в воде:
А) хорошо растворим, В)малорастворим, С)вообще не растворяется.

При вдувании кислорода в пламя температура пламени:
А) не изменяется, В) понижается, С) повышается.

Оксид железа (III) имеет формулу:
А) Fe2O3, В) FeO, С) FeO2.

В каком уравнении коэффициенты расставлены правильно:
А) 2P + O2 = P2O5; В) 2P + 5O2 = P2O5, С) 4P + 5O2 = 2P2O5

Проверка диктанта. (слайд 26-27)

Номер вопроса Буква ответа Правильно +
Неправильно –
1 С
2 В
3 С
4 В
5 А
6 В
7 С
8 А
9 С
10 В
  • «5» – 10-9 правильных ответов
  • «4» – 8-7 правильных ответов
  • «3» – 6-5 правильных ответов
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: