Газ например кислород

Кислород — бесцветный, не обладающий запахом газ. Он плохо растворим в воде и немного тяжелее воздуха. При охлаждении до −183 °С кислород становится прозрачной голубоватой жидкостью с плотностью, превышающей плотность воды. Кислород вступает в реакции со всеми элементами, за исключением инертных газов, и образует класс соединений, называемый оксидами.

Кислород — типичный окислитель, при повышении концентрации этого газа в воздухе до 30% и выше происходит очень интенсивное сгорание в такой атмосфере практически всех веществ. В кислороде горят различные металлы, неметаллы и сложные вещества, например, углерод, сера, магний, железо, сероводород. Эти свойства обуславливают широкое применение этого газа в различных отраслях промышленности.

Основное применение

Проведение газопламенных работ, таких как сварка, резка и пайка металлов — одно из самых важных и востребованных применений кислорода.

Металлургическая промышленность

Увеличение температуры горения при производстве черных и цветных металлов, позволяющее существенно повысить эффективность производства. Связывание углерода с кислородом с образованием углекислого газа.

Химическая и нефтехимическая промышленность

Окисление исходных реагентов с целью получения азотной кислоты, этиленоксида, пропиленоксида, винилхлорида и других химических соединений.

Нефтегазовая промышленность

Увеличение вязкости и улучшение нефтегазового потока из колодцев. Увеличение производительности заводов по крекингу нефти, более эффективная переработка высокооктановых компонент, уменьшение серных отложений на НПЗ.

Выращивание рыбы, креветок, крабов, мидий

Обогащение воды растворенным кислородом способствует увеличению выживаемости и выхода молодых особей, а также существенно сокращает сроки инкубации.

Стекольная промышленность

Повышение температуры в печах и улучшение процессов горения, повышающие производительность производства.

Утилизация отходов

Увеличение температуры пламени в мусоросжигательных печах, обеспечивающее большую экономичность и производительность печей

1. Положение кислорода в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение кислорода
3. Физические свойства кислорода и нахождение в природе
4. Способы получения кислорода
5. Химические свойства кислорода
5.1. Взаимодействие с простыми веществами
5.1.1. Взаимодействие с галогенами
5.1.2. Взаимодействие с серой и кремнием
5.1.3. Взаимодействие с водородом и фосфором 
5.1.4. Взаимодействие с азотом
5.1.5. Взаимодействие с металлами
5.1.6. Взаимодействие с углеродом
5.2. Взаимодействие со сложными веществами

Положение в периодической системе химических элементов

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

Электронное строение кислорода

Электронная конфигурация  кислорода в :

+8O 1s22s22p4     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 -183оС.

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

кислород получают перегонкой жидкого воздуха.

Разложение перманганата калия:

Разложение бертолетовой соли в присутствии катализатора :

Разложение пероксида водорода в присутствии оксида марганца (IV):

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

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

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

Кислород реагирует с

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

Кислород реагирует  и с образованием оксидов:

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 (2000оС), образуя оксид азота (II):

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

Однако при горении в кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

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

окисляются кислородом до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

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

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

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

Кислород взаимодействует со сложными веществами:

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

Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

горит с образованием простого вещества, азота:

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

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

, кислород окисляет гидроксид железа (II):

Кислород окисляет :

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

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

Кислоро́д (лат. Oxygenium; франц. oxygène, от греч. ὀξύς – кислый, острый и γένος – рождение), О, химический элемент VI группы короткой формы (16-й группы длинной формы) периодической системы, относится к халькогенам; атомный номер 8, атомная масса 15,9994. Природный кислород состоит из трёх изотопов: 16О (99,757 %), 17О (0,038 %) и 18О (0,205 %). Преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого 16О связано с тем, что ядро атома 16О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. Равное число протонов и нейтронов обусловливает высокую энергию их связи в ядре и наибольшую стабильность ядер 16О по сравнению с остальными. Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 12–26.

Историческая справка

Кислород получили в 1774 г. независимо К. В. Шееле (путём прокаливания нитратов калия KNO3 и натрия NaNO3, диоксида марганца MnO2 и других веществ) и Дж. Пристли (при нагревании тетраоксида свинца Pb3О4 и оксида ртути HgО). Позднее, когда было установлено, что кислород входит в состав кислот, А. Л. де Лавуазье предложил название oxygène (от греч. ὀξύς – кислый, острый и γένος – рождение; отсюда и русское название «кислород»).

Распространённость в природе

Кислород – самый распространённый химический элемент на Земле: содержание химически связанного кислорода в гидросфере составляет 85,82 % (главным образом в виде воды), в земной коре – 49 % по массе. Известно более 1400 минералов, в состав которых входит кислород. Среди них преобладают минералы, образованные солями кислородсодержащих кислот (важнейшие классы – природные карбонаты, природные силикаты, природные сульфаты, природные фосфаты), и горные породы на их основе (например, известняк, мрамор), а также различные природные оксиды, природные гидроксиды и горные породы (например, базальт). Молекулярный кислород составляет 20,95 % по объёму (23,10 % по массе) земной атмосферы. Кислород атмосферы имеет биологическое происхождение и образуется в зелёных растениях, содержащих хлорофилл, из воды и диоксида углерода при фотосинтезе. Количество кислорода, выделяемое растениями, компенсирует количество кислорода, расходуемое в процессах гниения, горения, дыхания. Кислород – биогенный элемент – входит в состав важнейших классов природных органических соединений (белков, жиров, нуклеиновых кислот, углеводов и др.) и в состав неорганических соединений скелета.

Известняк оолитовый.
Образец из коллекции ФГБУ «ВСЕГЕИ».

Строение внешней электронной оболочки атома кислорода 2s22p4; в соединениях проявляет степени окисления –2, –1, редко +1, +2; электроотрицательность по Полингу 3,44 (наиболее электроотрицательный элемент после фтора); атомный радиус 60 пм; радиус иона О2– 121 пм (координационное число 2). В газообразном, жидком и твёрдом состояниях кислород существует в виде двухатомных молекул О2. Молекулы О2 парамагнитны. Существует также аллотропная модификация кислорода – озон, состоящая из трёхатомных молекул О3.

В основном состоянии атом кислорода имеет чётное число валентных электронов, два из которых не спарены. Поэтому кислород, не имеющий низкой по энергии вакантной d-орбитали, в большинстве химических соединений двухвалентен. В зависимости от характера химической связи и типа кристаллической структуры соединения координационное число кислорода может быть разным: 0 (атомарный кислород), 1 (например, О2, СО2), 2 (например, Н2О, Н2О2), 3 (например, Н3О+), 4 (например, оксоацетаты Ве и Zn), 6 (например, MgO, CdO), 8 (например, Na2O, Cs2O). За счёт небольшого радиуса атома кислород способен образовывать прочные π-связи с другими атомами, например с атомами кислорода (О2, О3), углерода, азота, серы, фосфора. Поэтому для кислорода одна двойная связь (494 кДж/моль) энергетически более выгодна, чем две простые (146 кДж/моль).

Парамагнетизм молекул О2 объясняется наличием двух неспаренных электронов с параллельными спинами на дважды вырожденных разрыхляющих π*-орбиталях. Поскольку на связывающих орбиталях молекулы находится на четыре электрона больше, чем на разрыхляющих, порядок связи в О2 равен 2, т. е. связь между атомами кислорода двойная. Если при фотохимическом или химическом воздействии на одной π*-орбитали оказываются два электрона с противоположными спинами, возникает первое возбуждённое состояние, по энергии расположенное на 92 кДж/моль выше основного. Если при возбуждении атома кислорода два электрона занимают две разные π*-орбитали и имеют противоположные спины, возникает второе возбуждённое состояние, энергия которого на 155 кДж/моль больше, чем основного. Возбуждение сопровождается увеличением межатомных расстояний О–О: от 120,74 пм в основном состоянии до 121,55 пм для первого и до 122,77 пм для второго возбуждённого состояния, что, в свою очередь, приводит к ослаблению связи О–О и к усилению химической активности кислорода. Оба возбуждённых состояния молекулы О2 играют важную роль в реакциях окисления в газовой фазе.

Кислород – газ без цвета, запаха и вкуса; tпл –218,3 °C, tкип –182,9 °C, плотность газообразного кислорода 1428,97 кг/дм3 (при 0 °C и нормальном давлении). Жидкий кислород – бледно-голубая жидкость, твёрдый кислород – синее кристаллическое вещество. При 0 °C теплопроводность 24,65·10–3 Вт/(м·К), молярная теплоёмкость при постоянном давлении 29,27 Дж/(моль·К), диэлектрическая проницаемость газообразного кислорода 1,000547, жидкого 1,491. Кислород плохо растворим в воде (3,1 % кислорода по объёму при 20 °C), хорошо растворим в некоторых фторорганических растворителях, например перфтордекалине (4500 % кислорода по объёму при 0 °C). Значительное количество кислорода растворяют благородные металлы: серебро, золото и платина. Растворимость газа в расплавленном серебре (2200 % по объёму при 962 °C) резко понижается с уменьшением температуры, поэтому при охлаждении на воздухе расплав серебра «закипает» и разбрызгивается вследствие интенсивного выделения растворённого кислорода.

Кислород обладает высокой реакционной способностью, сильный окислитель: взаимодействует с большинством простых веществ при нормальных условиях, в основном с образованием соответствующих оксидов (многие реакции, протекающие медленно при комнатной и более низких температурах, при нагревании сопровождаются взрывом и выделением большого количества теплоты). Кислород взаимодействует при нормальных условиях с водородом (образуется вода Н2О; смеси кислорода с водородом взрывоопасны), при нагревании – с серой (диоксид серы SO2 и триоксид серы SO3), углеродом (оксид углерода СО, диоксид углерода СО2), фосфором (оксиды фосфора), многими металлами (оксиды металлов), особенно легко со щелочными и щёлочноземельными (в основном пероксиды и надпероксиды металлов, например пероксид бария BaO2, надпероксид калия KO2). С азотом кислород взаимодействует при температуре выше 1200 °C или при воздействии электрического разряда (образуется монооксид азота NO). Соединения кислорода с ксеноном, криптоном, галогенами, золотом и платиной получают косвенным путём. Кислород не образует химических соединений с гелием, неоном и аргоном. Жидкий кислород также является сильным окислителем: пропитанная им вата при поджигании мгновенно сгорает, некоторые летучие органические вещества способны самовоспламеняться, когда находятся на расстоянии нескольких метров от открытого сосуда с жидким кислородом.

Кислород образует три ионные формы, каждая из которых определяет свойства отдельного класса химического соединений: O2– – супероксидов (формальная степень окисления атома кислорода –0,5), O22–– пероксидных соединений (степень окисления атома кислорода –1, например пероксид водорода Н2О2), О2– – оксидов (степень окисления атома кислорода –2). Положительные степени окисления +1 и +2 кислород проявляет во фторидах O2F2 и ОF2 соответственно. Фториды кислорода неустойчивы, являются сильными окислителями и фторирующими реагентами.

Молекулярный кислород является слабым лигандом и присоединяется к некоторым комплексам Fe, Co, Mn, Cu. Среди таких комплексов наиболее важен железопорфирин, входящий в состав гемоглобина – белка, который осуществляет перенос кислорода в организме теплокровных.

Биологическая роль

Кислород как в свободном виде, так и в составе различных веществ (например, ферментов оксидаз и оксидоредуктаз) принимает участие во всех окислительных процессах, протекающих в живых организмах. В результате выделяется большое количество энергии, расходуемой в процессе жизнедеятельности.

Получение

В промышленных масштабах кислород производят путём сжижения и фракционной перегонки воздуха, а также электролизом воды. В лабораторных условиях кислород получают разложением при нагревании пероксида водорода (), оксидов металлов (например, оксида ртути: ), солей кислородсодержащих кислот-окислителей (например, хлората калия: , перманганата калия: ), электролизом водного раствора NaOH. Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах, окрашенных в голубой цвет, при давлении 15 и 42 МПа, жидкий кислород – в металлических сосудах Дьюара или в специальных цистернах-танках.

Технический кислород используют как окислитель в металлургии (см., например, Кислородно-конвертерный процесс), при газопламенной обработке металлов (см., например, Кислородная резка), в химической промышленности при получении искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, пероксидов металлов и др. Чистый кислород используют в кислородно-дыхательных аппаратах на космических кораблях, подводных лодках, при подъёме на большие высоты, проведении подводных работ, в лечебных целях в медицине (см. в статье Оксигенотерапия). Жидкий кислород применяют как окислитель ракетных топлив, при взрывных работах. Водные эмульсии растворов газообразного кислорода в некоторых фторорганических растворителях предложено использовать в качестве искусственных кровезаменителей (например, перфторан).

Дата публикации:  10 ноября 2022 г. в 16:39 (GMT+3)

К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей.

При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.
1 л его имеет массу 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100г при 0 °C, 2,09 мл/100г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при 961 °C). Является парамагнетиком.
При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000 °C — 0,03 %, при 2600 °C — 1 %, 4000 °C — 59 %, 6000 °C — 99,5 %.
Жидкий кислород (темп. кипения −182,98 °C) — это бледно-голубая жидкость.
Твёрдый кислород (темп. плавления −218,79 °C) — синие кристаллы.

Другие заметки по химии

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).

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. В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.

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 Петра 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 сожженных 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.

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. В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.
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 Петра 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 сожженных 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.

Кислоро́д — элемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 8. Обозначается символом O (лат. Oxygenium). Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород (CAS-номер: 7782-44-7) 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. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон (CAS-номер: 10028-15-6) — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3).

Происхождение названия

Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр. oxygène), предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим окислы, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.