ЕГЭ. Возможные степени окисления элементов

Во вселенной

В мировой материи неон распределён неравномерно, однако в целом по распространенности во Вселенной он занимает пятое место среди всех элементов — около 0,13 %[6] по массе.

Наибольшая концентрация неона наблюдается на Солнце и других горячих звёздах, в газовых туманностях, в атмосфере планет-гигантов, находящихся в Солнечной системе: Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна[3].

Возможные степени окисления

В соединениях медь проявляет две степени окисления: 1 и 2. Первая из них склонна к
диспропорционированию и устойчива только в нерастворимых соединениях (Cu2O, CuCl, CuI и т. п.) или
комплексах (например, [Cu(NH3)2] ).

Её соединения бесцветны. Более устойчива степень окисления 2,
которая даёт соли синего и сине-зелёного цвета. В необычных условиях можно получить соединения со
степенью окисления 3 и даже 5. Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B11H11)23−,
полученных в 1994 году.

Не изменяется на воздухе в отсутствие влаги и диоксида углерода. Является слабым восстановителем, не
вступает в реакцию с водой и разбавленной соляной кислотой. Переводится враствор
кислотами-неокислителями или гидратом аммиака в присутствии кислорода, цианидом калия.

На влажном воздухе медь окисляется, образуя основный карбонат меди(II) (внешний слой патины):

На влажном воздухе медь окисляется, образуя основный карбонат меди(II) (внешний слой патины):

2Cu H2O CO2 O2 à Cu2CO3(OH)2↓

Реагирует с концентрированной холодной серной кислотой:

Cu H2SO1 àCuO SO2 ↑ H2O

С концентрированной горячей серной кислотой:

Cu 2H2SO4 à CuSO4 SO2 ↑ 2H2O

• В электротехнике
• Теплообмен
• Для производства труб
• Сплавы
• Сплавы на основе меди
• Сплавы, в которых медь значима
• Ювелирные сплавы
• Соединения меди

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20 °C:
0,01724-0,0180 мкОм·м), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых и других
кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже.

Медные провода, в свою
очередь, также используются в обмотках электроприводов (быт: электродвигателях) и силовых
трансформаторов. Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую
проводимость. Например, присутствие в меди 0,02 % алюминия снижает её электрическую проводимость
почти на 10 %.

Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных
теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известныерадиаторы
охлаждения, кондиционирования и отопления, компьютерных кулерах, тепловых трубках.

В связи с высокой механической прочностью и пригодностью для механической обработки медные бесшовные
трубы круглого сечения получили широкое применение для транспортировки жидкостей и газов: во
внутренних системах водоснабжения, отопления, газоснабжения, системах кондиционирования и
холодильных агрегатах.

В ряде стран трубы из меди являются основным материалом, применяемым для этих
целей: во Франции, Великобритании и Австралии для газоснабжения зданий, в Великобритании, США,
Швеции и Гонконге для водоснабжения, в Великобритании и Швеции для отопления.

В России производство водогазопроводных труб из меди нормируется национальным стандартом ГОСТ Р
52318-2005, а применение в этом качестве федеральным Сводом Правил СП 40-108-2004. Кроме того,
трубопроводы из меди и сплавов меди широко используются в судостроении и энергетике для
транспортировки жидкостей и пара.

В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко
распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими
названиями для целого семейства материалов, в которые, помимо олова и цинка, могут входить никель,
висмут и другие металлы.

Например, в состав пушечной бронзы, использовавшейся для изготовления
артиллерийских орудий вплоть до XIX века, входят все три основных металла — медь, олово, цинк;
рецептура менялась от времени и места изготовления орудия.

Большое количество латуни идёт на
изготовление гильз артиллерийских боеприпасов и оружейных гильз, благодаря технологичности и высокой
пластичности. Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др.
(а не чистую медь) из-за их большей прочности:

30—40 кгс/мм² у сплавов и 25—29 кгс/мм² у технически
чистой меди. Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не изменяют
механических свойств при термической обработке, и их механические свойства и износостойкость
определяются только химическим составом и его влиянием на структуру.

Модуль упругости медных сплавов
(900—12000 кгс/мм², ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов — низкий коэффициент
трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих
сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред
(медно-никелевые сплавы и алюминиевые бронзы) и хорошей электропроводностью.

Величина коэффициента
трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и
износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно,
от структуры.

Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных. Медноникелевый сплав
(мельхиор) используются для чеканки разменной монеты. Медноникелевые сплавы, в том числе и так
называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении (трубки конденсаторов
отработавшего пара турбин, охлаждаемых забортной водой) и областях применения, связанных с
возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за высокой коррозионной устойчивости.

Медь
является важным компонентом твёрдых припоев — сплавов с температурой плавления 590—880 градусов
Цельсия, обладающих хорошей адгезией к большинству металлов, и применяющихся для прочного соединения
разнообразных металлических деталей, особенно из разнородных металлов, от трубопроводной арматуры до
жидкостных ракетных двигателей.

Дюраль (дюралюминий) определяют как сплав алюминия и меди (меди в дюрали 4,4 %).

В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к
деформациям и истиранию, так как чистое золото — очень мягкий металл и нестойко к механическим
воздействиям.

Оксиды меди используются для получения оксида иттрия бария меди YBa2Cu3O7-δ, который является основой
для получения высокотемпературных сверхпроводников. Медь применяется для производства медно-окисных
гальванических элементов и батарей.

Земная кора

Из всех стабильных элементов второго периода неон — один из самых малораспространённых на Земле[8]. В 18-й группе неон по содержанию в земной коре занимает третье место после аргона и гелия[8]. В газовых туманностях и некоторых звёздах неона во много раз больше, чем на Земле.

На Земле наибольшая концентрация неона наблюдается в атмосфере — 1,82⋅10−3 %[3][9] по объёму, а его общие запасы оцениваются в 7,8⋅1014 м³[3].

В 1 м³ воздуха содержится около 18,2 см³ неона (и, для сравнения, лишь 5,2 см³ гелия)[9]. Среднее содержание неона в земной коре мало − 7⋅10−9 % по массе[3].

Всего в атмосфере Земли около 6,5⋅1010 т неона[10]. В изверженных породах находится около 109 т этого элемента[11]. По мере разрушения пород газ улетучивается в атмосферу. В меньшей мере в атмосферу неон выделяется из природных вод.

Причину низкого содержания неона на Земле учёные объясняют тем, что она некогда потеряла первичную атмосферу, и вместе с ней основную массу инертных газов, которые не могли, как кислород и другие газы, химически связаться с другими элементами в минералы и тем самым остаться на планете[источник не указан 4706 дней].

Изотопы

Существует три стабильных изотопа неона: 20Ne (изотопная распространённость90,48 %),21Ne(0,27 %) и 22Ne(9,25 %)[12].

Кроме трёх стабильных нуклидов неона, существует ещё 16 нестабильных изотопов. На Земле преобладает лёгкий изотоп 20Ne.

Во многих минералах с повышенным содержанием альфа-активных элементов относительное содержание тяжелых 21Ne и 22Ne в десятки и сотни раз больше содержания их в воздухе. Это вызвано тем, что основными механизмами образования этих изотопов являются ядерные реакции, происходящие при бомбардировке ядер алюминия, натрия, магния и кремния продуктами распада ядер тяжёлых элементов. Кроме того, подобные реакции происходят в земной коре и атмосфере под воздействием космического излучения.

Известен также ряд ядерных реакций с малой вероятностью протекания[13], при которых образуются 21Ne и 22Ne — это захват альфа-частиц ядрами тяжёлого стабильного изотопа кислорода 18О и природного фтора19F:

O818 He24⟶Ne1021 n01,{displaystyle {ce {^18_8O ^4_2He -> ^21_10Ne ^1_0n,}}}

F919 He24⟶Ne1022 H11{displaystyle {ce {^19_9F ^4_2He -> ^22_10Ne ^1_1H}}}.

Источник преобладающего на Земле лёгкого нуклида20Ne до сих пор не установлен.

Обычно Неон-20 образуется в звёздах вследствие альфа-процесса, при котором альфа-частица поглощается ядром атома кислорода-16 с образованием неона-20 и излучением гамма-кванта:

O816 He24⟶Ne1020 γ{displaystyle {ce {^16_8O ^4_2He -> ^20_10Ne gamma}}}.

Однако этот процесс требует температуры более 100 миллионов градусов и массы звезды более трёх солнечных.

Вполне возможно, что источником этого изотопа была сверхновая, после взрыва которой образовалось газопылевое облако, из части которого сформировалась Солнечная система.

Считается, что в космическом пространстве неон также преимущественно представлен лёгким нуклидом 20Ne. В метеоритах обнаруживают немало 21Ne и 22Ne, но эти нуклиды, предположительно, образуются в самих метеоритах под воздействием космических лучей за время странствий во Вселенной.

История открытия

Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).

 2HgO →^ot  2Hg O₂↑

Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье.

Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.

Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория.

Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожжённых элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.

Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.

Нахождение в природе

Накопление O

₂

в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка.

1

. (3,85—2,45 млрд лет назад) — O

₂

не производился

2

. (2,45—1,85 млрд лет назад) O

₂

производился, но поглощался океаном и породами морского дна

3

. (1,85—0,85 млрд лет назад) O

₂

выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя

4

. (0,85—0,54 млрд лет назад) все горные породы на суше окислены, начинается накопление O

₂

в атмосфере

5

. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) современный период, содержание O

₂

в атмосфере стабилизировалось

Кислород — самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,82 % (по массе). Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород.

В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе (около 1015 тонн). Однако до появления первых фотосинтезирующих микробов в архее 3,5 млрд лет назад, в атмосфере его практически не было. Свободный кислород в больших количествах начал появляться в палеопротерозое (3—2,3 млрд лет назад) в результате глобального изменения состава атмосферы (кислородной катастрофы).

Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, сделав их доминирующими.

С начала кембрия 540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от 15 % до 30 % по объёму. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время.

Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. Около 60 % кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения, 80 % кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов.

Деятельность человека очень мало влияет на количество свободного кислорода в атмосфере. При нынешних темпах фотосинтеза понадобится около 2000 лет, чтобы восстановить весь кислород в атмосфере.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %.

В 2022 году датские учёные доказали, что свободный кислород входил в состав атмосферы уже 3,8 млрд лет назад.

Получение

Неон получают совместно с гелием в качестве побочного продукта при сжижении и разделении воздуха на крупных промышленных установках. Разделение неоно-гелиевой смеси осуществляется несколькими способами за счёт адсорбции, конденсации и низкотемпературной ректификации.

Адсорбционный метод основан на том, что неон, в отличие от гелия, способен адсорбироваться активированным углём, охлаждаемым жидким азотом. Конденсационный способ основан на вымораживании неона при охлаждении смеси жидким водородом. Ректификационный способ основан на разнице температур кипения гелия и азота.

Неон извлекают из воздуха в аппаратах двукратной ректификации жидкого воздуха. Газообразные неон и гелий скапливаются в верхней части колонны высокого давления, то есть в конденсаторе-испарителе, откуда под давлением около 0,55 МПа подаются в трубное пространство дефлегматора, охлаждаемое жидким N2.

Из дефлегматора обогащенная смесь Ne и Не направляется для очистки от N2 в адсорберы с активированным углем, из которых после нагревания поступает в газгольдер (содержание Ne He до 70 %); степень извлечения смеси газов 0,5—0,6.

Последнюю очистку от N2 и разделение Ne и Не можно осуществлять либо селективной адсорбцией при температуре жидкого N2, либо конденсационными методами — с помощью жидких Н2 или Ne. При использовании жидкого водорода дополнительно проводят очистку от примеси водорода с помощью CuO при 700 °C.

Основным промышленным способом получения неона (в последнее десятилетие) является разделение неоно-гелиевой смеси путём низкотемпературной ректификации. Смесь неона и гелия предварительно очищают от примеси азота и водорода (водород выжигают в печи, заполненной катализатором), а азот удаляют в низкотемпературных дефлегматорах и в блоке криогенных адсорберов, заполненных активированным углём (уголь охлаждается змеевиками с кипящим в них под вакуумом азотом).

После удаления азота неоно-гелиевая смесь сжимается компрессором и поступает для разделения в ректификационную колонну, предварительно охлаждаемую до температуры кипящего под вакуумом азота. Для понижения температуры охлаждённая смесь дросселируется с 25 МПа до 0,2—0,3 МПа (в зависимости от режима работы установки).

В верхней части колонны, из-под крышки конденсатора, отбирается гелий с примесью до 20 % неона, в нижней части колонны получается неон в жидком виде. В качестве холодильного цикла используется дроссельный холодильный цикл с рабочей средой-хладагентом из чистого неона.

Основной производитель неона — Российская Федерация. Промышленные установки по очистке неона построены и успешно эксплуатируются на Украине — 65 % мирового неона в 2020 г. производилось предприятием «Айсблик» (Одесса, Москва), а также 5 % мирового неона до войны 2022 года — в г. Мариуполь (предприятие «Ингаз»).

Стабильный изотоп неон-20, также может быть получен из стабильного натрия-23, в ходе протон-гелиевой реакции 23Na(p,α)20Ne[14]:

 1123Na p →1020Ne α (24He).{displaystyle _{11}^{23}{rm {Na}} p^{ }rightarrow _{10}^{20}{rm {Ne}} alpha (_{2}^{4}{rm {He}}).}

Применение

Жидкий неон используют в качестве охладителя в криогенных установках. Ранее неон применялся в промышленности в качестве инертной среды, но был вытеснен более дешёвым аргоном. Неоном наполняют газоразрядные лампы, сигнальные лампы в радиотехнической аппаратуре, фотоэлементы, выпрямители. Смесь неона и гелия используют как рабочую среду в газовых лазерах (гелий-неоновый лазер).

Трубки, заполненные смесью неона и азота, при пропускании через них электрического разряда дают красно-оранжевое свечение, в связи с чем они широко используются в рекламе. По традиции «неоновыми» часто называют и газоразрядные трубки других цветов, хотя в них используется свечение не неона, а других благородных газов или флуоресцирующего покрытия (см. справа).

Для получения цветов, отличных от красного, используют либо электрический разряд в смеси других благородных газов, либо разряд в аргоне с добавкой небольших количеств паров ртути, при этом газоразрядную трубку изнутри покрывают люминофором, преобразующим ультрафиолетовое излучение разряда в видимый свет требуемого цвета.

Неоновые лампы применяются для сигнальных целей на маяках и аэродромах, так как их красный свет очень слабо рассеивается туманом и мглой.

С 1999 г. неон — важный элемент в производстве интегральных микросхем, где он используется в ультрафиолетовой фотолитографии при изготовлении схем с проектными нормами 180 нанометров и менее[15].

Примечания

Степень окисления кислорода:

Степень окисления (окислительное число) – это вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций. Она указывает на состояние окисления отдельного атома молекулы и представляет собой лишь удобный метод учёта переноса электронов. Однако она не является истинным зарядом атома в молекуле.

Степень окисления соответствует числу электронов, которое следует присоединить к положительному иону (катиону), чтобы восстановить его до нейтрального атома, или отнять от отрицательного иона (аниона), чтобы окислить его до нейтрального атома.

Степень окисления (в отличие от валентности) может иметь нулевое, отрицательное и положительное значения.

Значения степени окисления записывают арабскими цифрами сверху над символом элемента. При указании степени окисления первым ставится знак, а потом численное значение, а не наоборот.

Степень окисления (в отличие от валентности) может иметь нулевое, отрицательное и положительное значения: -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2 , 3 , 4, 5, 6 , 7.

Следует помнить, что степень окисления является сугубо условной величиной, не имеющей физического смысла, но характеризующей образование химической связи межатомного взаимодействия в молекуле.

Степень окисления в ряде случаев не совпадает с валентностью. Например, в молекуле азотной кислоты степень окисления центрального атома азота равна 5, тогда как валентность равна IV.

Степень окисления зачастую не совпадает с фактическим числом электронов, которые участвуют в образовании связей.

Степень окисления кислорода равна -2, -1, -0,5, 0, 1, 2.

Все свойства атома кислорода

Таблица степеней окисления химических элементов (1 часть):

Таблица степеней окисления химических элементов (2 часть):

Таблица степеней окисления химических элементов (3 часть):

Коэффициент востребованности 2 898

Таблица степени окисления химических элементов

Максимальную положительную и минимальную отрицательную степень окисления можно определить с помощью Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Они равны номеру группы, в которой расположен элемент, и разнице между значением «высшей» степени окисления и числом 8, соответственно.

Если рассматривать химические соединения более конкретно, то в веществах с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю (N2, H2, Cl2).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na 1I-1, Mg 2Cl-12, Al 3F-13, Zr 4Br-14.

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Существуют элементы, для которых характерно только одно значение степени окисления (фтор, металлы IA и IIA групп и т.д.). Фтор, характеризующийся наибольшим значением электроотрицательности, в соединениях всегда имеет постоянную отрицательную степень окисления (-1).

Щелочные и щелочноземельные элементы, для которых свойственно относительно невысокое значение электроотрицательности, всегда имеют положительную степень окисления, равную соответственно ( 1) и ( 2).

Однако, имеются и такие химические элементы, для которых характерны несколько значений степени окисления (сера – (-2), 0, ( 2), ( 4), ( 6) и др.).

Для того, чтобы легче было запомнить сколько и какие степени окисления характерны для конкретного химического элемента используют таблицы степеней окисления химических элементов, которые выглядят следующим образом:

Физические свойства неона:

Химические свойства

Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона. Наиболее распространённая степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:

 4Li O₂ → 2Li₂O

 2Sr O₂ → 2SrO

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:

 2NO O₂ → 2NO₂↑

Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения:

 2C₆H₆ 15O₂ → 12CO₂ 6H₂O

 CH₃CH₂OH 3O₂ → 2CO₂ 3H₂O

При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:

 CH₃CH₂OH O₂ → CH₃COOH H₂O

Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета.

Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.

 2Na O₂ → Na₂O₂

 2BaO O₂ → 2BaO₂

 H₂ O₂ → H₂O₂

 Na₂O₂ O₂ → 2NaO₂

 K O₂ → KO₂

 3KOH 3O₃ → 2KO₃ KOH ∗ H₂O 2O₂↑

 PtF₆ O₂ → O₂PtF₆

В этой реакции, кислород проявляет восстановительные свойства.