В атмосферном воздухе кислород занимает 21%. Большая часть его находится в земной коре, пресной воде и живых микроорганизмах. Он применяется во многих сферах промышленности и задействуется для хозяйственных и медицинских потребностей. Востребованность вещества обусловлена химическими и физическими особенностями.
В уроке 17 «Получение кислорода» из курса «Химия для чайников» выясним, как получают кислород в лабораторных условиях; узнаем, что такое катализатор, и как растения влияют на производство кислорода на нашей планете.
Наиболее важным для человека и других живых организмов веществом, входящим в состав воздуха, является кислород. Большие количества кислорода используются в промышленности, поэтому важно знать, как можно его получать.
В уроке 16 «Кислород и озон» из курса «Химия для чайников» мы рассмотрим кислород как химический элемент и как простое вещество; узнаем об истории его открытия; выясним, что такое озон и какими свойствами он обладает.
Исторически так сложилось, что химический элемент и одно из простых веществ, образованных атомами этого элемента, имеют общее название — кислород. Поскольку между этими понятиями существует принципиальная разница, следует четко различать, о чем идет речь — о кислороде как о химическом элементе или о простом веществе.
Кислород очень широко применяется в народном хозяйстве. На рисунке 75 приведены основные области применения кислорода. Главными потребителями кислорода являются металлургическая промышленность (выплавка стали), космическая техника (окислитель ракетного топлива), процессы обработки металлов (сварка и резка металлов).
Краткие выводы урока:
Кроме кислорода, существует еще одно простое вещество, молекулы которого состоят только из атомов кислорода. Это озон, молекула которого содержит три атома кислорода (рис. 74), его формула — О3.
При нормальных условиях озон представляет собой газ с резким раздражающим запахом. Он очень токсичен для всех живых организмов и поэтому используется вместо хлора для обеззараживания воды.
Небольшие количества озона образуются в воздухе во время грозы, а также в результате взаимодействия смолы хвойных деревьев с кислородом. Озон оказывает губительное действие на бактерии, поэтому лесной воздух (особенно в хвойных лесах) обладает целебным действием.
В небольших количествах озон образуется также при работе копировальных аппаратов и лазерных принтеров. Использовать такие приборы следует только в хорошо проветриваемых помещениях.
В верхних слоях атмосферы Земли (на высоте примерно 30—40 км) существует озоновый слой. Содержащийся в нем озон образуется из кислорода под воздействием солнечного излучения. Некоторые компоненты этого излучения губительны для живых организмов и растений на нашей планете, а озоновый слой поглощает их. Если бы не было озонового слоя, то жизнь на Земле постепенно бы прекратилась.
Многие ученые считают, что вещества, образующиеся в процессе производственной деятельности человека, разрушают озоновый слой. Это прежде всего фреоны — соединения, использующиеся в холодильных установках и дезодорантах, выбросы реактивных самолетов и ракет. Попадая в озоновый слой, эти вещества приводят к уменьшению его толщины или даже разрыву этого слоя — образованию так называемых озоновых дыр. В результате образования и увеличения размеров озоновых дыр могут наступить серьезные экологические катастрофы.
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.
- История открытия кислорода
- Технические особенности оборудования для получения кислорода в промышленности
- Кислород в природе
- Получение кислорода и азота из воздуха
- Как добывают кислород в промышленности. 3 метода
- Кислород как химический элемент
- Кислород как простое вещество
- Получение кислорода в лабораторных условиях
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 ns2np4:
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
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.
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)
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.
C3H7 + O2 = CO2 + H2O
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.
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.
История открытия кислорода
История открытия самого важного для человека газа была долгой и запутанной. Впервые об открытии кислорода было сообщено в 1774 г. английским химиком Дж. Пристли. Он получил его при нагревании вещества HgO. Однако Дж. Пристли в то время не понял, что он получил новое газообразное вещество, и считал его разновидностью воздуха. Еще раньше в 1772 г. кислород был получен К. Шееле, но сообщение об этом он опубликовал только в 1777 г.
В 1774 г. Дж. Пристли сообщил о своих результатах великому французскому химику А. Лавуазье. Он тут же начал свои опыты и уже в 1775 г. сделал в Академии наук доклад «Мемуар о природе вещества, соединяющегося с металлами при прокаливании и увеличивающего их вес».
Происхождение названия «кислород» связано с образованием кислот в результате растворения в воде некоторых сложных веществ, содержащих атомы этого элемента. А. Лавуазье считал, что кислород — это обязательная составная часть всех кислот, что он «рождает» кислоты. Чтобы подчеркнуть это, А. Лавуазье в 1779 г. назвал этот газ «рождающим кислоты», или сокращенно — кислородом.
Технические особенности оборудования для получения кислорода в промышленности
Наладить процесс получения кислорода в газообразном состоянии помогают генераторы промышленного типа «ОКСИМАТ». Их технические характеристики и конструктивные особенности направлены на получение данного вещества в промышленности необходимой чистоты и требуемом количестве на протяжении суток (без перерыва). Следует учесть, что работать оборудование может в любом режиме как с остановками, так и без них. Агрегат функционирует под давлением. На входе должен быть осушенный воздух в сжатом состоянии очищенный от влаги. Предусматриваются модели малой, средней и большой производительности.
Кислород в природе
Огромное количество газообразного кислорода содержится в атмосфере, растворено в водах морей и океанов. Кислород необходим всем живым организмам для дыхания. Без кислорода невозможно было бы получать энергию за счет сжигания различных видов топлива. На эти нужды ежегодно расходуется примерно 2% атмосферного кислорода.
Откуда берется кислород на Земле и почему его количество остается примерно постоянным, несмотря на такой расход? Единственным источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, производящие его под действием солнечного света в процессе фотосинтеза. Это очень сложный процесс, включающий много стадий. В результате фотосинтеза в зеленых частях растений углекислый газ и вода превращаются в глюкозу C6H12O6 и кислород. Суммарное уравнение реакций, протекающих в процессе фотосинтеза, можно представить следующим образом:
Установлено, что примерно одну десятую часть (11%) производимого зелеными растениями кислорода дают наземные растения, а остальные девять десятых (89%) — водные растения.
Получение кислорода и азота из воздуха
Огромные запасы кислорода в атмосфере позволяют получать и использовать его в различных производствах. В промышленных условиях кислород, азот и некоторые другие газы (аргон, неон) получают из воздуха.
Для этого воздух сначала превращают в жидкость (рис. 79) путем охлаждения до такой низкой температуры, при которой все его компоненты переходят в жидкое агрегатное состояние.
Затем эту жидкость медленно нагревают, в результате чего при разных температурах происходит последовательное выкипание (т. е. переход в газообразное состояние) веществ, которые содержатся в воздухе. Собирая выкипающие при разных температурах газы, по отдельности получают азот, кислород и другие вещества.
Как добывают кислород в промышленности. 3 метода
Производство кислорода в промышленности осуществляется за счет деления атмосферного воздуха. Для этого задействуются следующие методы:
Производство кислорода в промышленных масштабах несет в себе высокую значимость. К выбору технологии и соответствующего оборудования нужно уделить повышенное вынимание. Допущенные ошибки могут негативно отразиться на технологичном процессе и повлечь за забой увеличение затрат.
Кислород как химический элемент
Самым первым химическим элементом, к изучению которого мы приступаем, является кислород. Как вы уже знаете, химический знак кислорода — О. Относительная атомная масса кислорода равна 16:
Позднее вы узнаете, какое строение имеет атом кислорода и чем он отличается от атомов других химических элементов.
Когда говорят о кислороде как о химическом элементе, то подразумевают атомы кислорода. Например: «В состав многих сложных веществ входит кислород», «Массовая доля кислорода в глюкозе равна 53,3 %». В этих примерах речь идет об атомах кислорода (О), которые наряду с атомами других химических элементов входят в состав сложных веществ, следовательно, в данном случае речь идет о кислороде как о химическом элементе.
Кислород как простое вещество
Простое вещество кислород существует в виде молекул. Молекула кислорода состоит из двух атомов химического элемента кислорода (рис. 73), поэтому химическая формула кислорода как простого вещества — O2.
Поскольку относительная атомная масса кислорода равна 16, то относительная молекулярная масса простого вещества кислорода равна:
Следовательно, молярная масса кислорода равна:
Как у всех газов, молярный объем кислорода при нормальных условиях равен:
Когда говорят о кислороде как о простом веществе, то подразумевают вещество, имеющее формулу О2. Например: «Железные изделия быстро ржавеют в атмосфере влажного кислорода», «Для горения древесины необходим кислород». В этих примерах речь идет о веществе, имеющем формулу О2.
Получение кислорода в лабораторных условиях
В химической лаборатории кислород можно получать нагреванием некоторых сложных веществ, в состав которых входят атомы кислорода. К числу таких веществ относится вещество KMnO4, которое имеется в вашей домашней аптечке под названием «марганцовка».
Вы знакомы с простейшими приборами для получения газов. Если в один из таких приборов поместить немного порошка KMnO4 и нагреть, то будет выделяться кислород (рис. 76):
Кислород можно также получить разложением пероксида водорода H2O2. Для этого в пробирку с H2O2 следует добавить очень небольшое количество особого вещества — катализатора — и закрыть пробирку пробкой с газоотводной трубкой (рис. 77).
Для данной реакции катализатором является вещество, формула которого MnO2. При этом протекает следующая химическая реакция:
Обратите внимание на то, что ни в левой, ни в правой частях уравнения формулы катализатора нет. Его формулу принято записывать в уравнении реакции над знаком равенства. Для чего же добавляется катализатор? Процесс разложения H2O2 при комнатных условиях протекает очень медленно. Поэтому для получения заметных количеств кислорода необходимо много времени. Однако эту реакцию можно резко ускорить путем прибавления катализатора.
Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ней не расходуется.
Именно потому, что катализатор не расходуется в реакции, мы не записываем его формулу ни в одной из частей уравнения реакции.
Еще один способ получения кислорода — разложение воды под действием постоянного электрического тока. Этот процесс называется электролизом воды. Получить кислород можно в приборе, схематично изображенном на рисунке 78.
При этом протекает следующая химическая реакция:
