Кислород [1970 Кирюшкин Д.М., Полосин В.С. — Методика обучения химии]

Горение веществ на воздухе и в кислороде

Вы уже знаете, что в состав окружающего нас воздуха входит кислород. Поэтому многие вещества горят не только в чистом кислороде, но и на воздухе.

Горение на воздухе протекает чаще всего гораздо медленнее, чем в чистом кислороде. Происходит это потому, что в воздухе лишь одна пятая часть по объему приходится на кислород. Если уменьшить доступ воздуха к горящему предмету (а следовательно, уменьшить доступ кислорода), горение замедляется или прекращается. Отсюда понятно, почему для тушения загоревшегося предмета на него следует набросить, например, одеяло или плотную тряпку.

На заметку: При пожарах для тушения горящих предметов часто используют пену (рис. 84). Она обволакивает горящий предмет и прекращает доступ к нему кислорода. Горение сначала замедляется, а затем прекращается совсем.

Некоторые вещества, быстро сгорающие в кислороде, на воздухе не горят вообще. Так, если нагреть железную проволоку на воздухе даже до белого каления, она все равно не станет гореть, тогда как в чистом кислороде быстро сгорает с образованием раскаленных искр.

Краткие выводы урока:

1. При обычных условиях кислород — газ, не имеющий цвета, запаха и вкуса, плохо растворимый в воде.
2. Кислород обладает высокой химической активностью. Он вступает в химические реакции со многими простыми и сложными веществами.
3. Химические реакции, протекающие с выделением большого количества теплоты и света, называют реакциями горения.
4. В чистом кислороде вещества горят намного быстрее, чем на воздухе.

История открытия

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

2HgO (t) → 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 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 провел 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.

Кислород

Учебные задачи и содержание темы. Еще до начала изучения химии учащиеся приобретают некоторые сведения о кислороде из обыденной жизни, на уроках природоведения и ботаники (в IV-V классах). Поэтому одна из задач обучения по этой подтеме состоит в приведении разрозненных знаний учащихся об этом элементе в определенную систему на основе атомно-молекулярного учения.

Вторая задача — обогащение учащихся знаниями о свойствах кислорода, о его распространении в природе, применении в различных областях народного хозяйства и получении в лаборатории. В процессе изучения кислорода продолжается формирование у учащихся основных химических понятий — о веществе, о химической реакции, об атоме и молекуле — и вводятся новые понятия — окисление, окислы.

Создание необходимых условий для формирования этих понятий составляет третью задачу обучения по этой подтеме. Развитие у учащихся умений самостоятельно выполнять химические опыты и пользоваться учебником для приобретения знаний также входит в число учебно-воспитательных задач в преподавании и по данной подтеме. В результате изучения кислорода учащиеся должны приобрести следующие знания:

1. Химический знак кислорода, молекулярная формула, атомная масса и молекулярная масса.

2. При обыкновенных условиях кислород — газ в 16 раз тяжелее водорода, без цвета и запаха, в одном литре воды растворяется при обыкновенной температуре 30 мл кислорода, жидкий кислород кипит при 183°С.

3. Кислород может непосредственно соединяться со многими химическими элементами. В результате этих реакций получаются вещества, называемые окислами. Реакция присоединения кислорода к какому-либо веществу называется окислением. Большинство окислительных реакций сопровождается выделением энергии.

Реакции, протекающие с разогреванием продуктов реакций, называются экзотермическими. Кислород в природе находится в свободном состоянии, в смеси с другими газами, растворен в воде и входит в состав множества сложных неорганических и органических веществ.

4. Благодаря химический активности кислород применяется для получения многих веществ, а вследствие экзотермичности окисления он используется для получения высокой температуры пламени при выплавке или при сварке металлов.

5. В лаборатории кислород получают для учебных целей разложением некоторых веществ, содержащих кислород и разлагающихся при прокаливании.

В процессе изучения кислорода учащиеся должны приобрести умения по технике эксперимента: закреплять пробирку в лапке штатива, а муфту на стержне штатива, нагревать пробирку с сухим веществом и собирать газ вытеснением воды или воздуха.

При изучении кислорода учащиеся знакомятся с тем, как человек, познавая природу, использует эти знания для улучшения условий своей жизни. Выявление связи науки с жизнью также является одной из учебных задач преподавания по теме «Кислород».

Так как кислород изучается первым из химических элементов во вводном курсе химии, то важно установить план его изучения и в дальнейшем придерживаться установленной последовательности при изучении и других элементов. Это облегчает учащимся усвоение знаний отдельных фактов и понятий, а также связи между ними.

При выборе плана изложения темы необходимо обеспечить наиболее полное использование учащимися уже полученных ими знаний для восприятия вновь изучаемого. Желательно организовать процесс обучения так, чтобы учащиеся до некоторой степени могли предвидеть изучаемое на основе имеющихся у них знаний.

Из всего того, что учащиеся должны угнать о кислороде, наиболее важным является знание свойств его в свободном состоянии. Исходя из этого, учащиеся могут легче осознать и даже предвидеть распространение кислорода в природе, уяснить роль его в процессах, происходящих в природе.

Зная химические свойства кислорода, учащиеся воспримут как логическое следствие из этого состав его важнейших соединений, нахождение в природе, способы получения и применение. Таким образом, весь комплекс знаний о кислороде может быть логически связан в единое целое, а не представлять конгломерат разрозненных сведений, получаемых в произвольном порядке.

Компонент ракетного топлива

Жидкий кислород является широко распространённым окислительным компонентом ракетного топлива, обычно в сочетании с ним используют керосин. Использование кислорода обусловлено высоким удельным импульсом, который получается при применении этого окислителя в ракетных двигателях.

Кислород — самый дешёвый из применяемых компонентов ракетных топлив. Первое применение имело место в германской БРФау-2, позднее в американских БР «Редстоун» и РН «Атлас», а также в советской МБРР-7.

Жидкий кислород активно использовался в ранних МБР, но в более поздних образцах этих ракет его не применяют из-за очень низкой температуры и необходимости регулярной дозаправки для компенсации выкипания окислителя, что затрудняет быстрый запуск. Многие современные ЖРД используют ЖК в качестве окислителя, например РД-180, RS-25.

Меры безопасности при работе с жидким кислородом

1. Кислород — не ядовит, но при работе с ним должны применяться защитные средства, предохраняющие от возможного обморожения: летом — хлопчатобумажный комбинезон, рукавицы, кожаные сапоги, очки; зимой — валенки, подшитые кожей, тёплые рукавицы, очки.
2. Кислород — весьма пожароопасен и даже взрывоопасен при соприкосновении с органическими веществами при наличии даже небольшого теплового импульса. Едва тлеющий на воздухе тепловой очаг разгорается ярким пламенем в атмосфере кислорода. Известны трагические последствия курения на месте недавнего пролива жидкого кислорода на почву. Для воспламенения таких материалов, как паронит, резина, хлопчатобумажная ткань, полиэтилен и др. в атмосфере кислорода достаточно нагрева их всего до 200—300°С. Даже резкое сжатие органического материала, пропитанного кислородом (например, при падении тяжелого предмета на асфальт, облитый жидким кислородом), может вызвать возгорание и взрыв. При соприкосновении с маслами кислород может образовывать с некоторыми их компонентами активные эндотермичные перекисные соединения, накопление которых может приводить к взрыву, поэтому контакт кислорода с такими веществами в любых вариантах, работа в промасленной одежде, замасленными руками или приспособлениями недопустима. По окончании работ в контакте с жидким или газообразным кислородом запрещается ранее, чем через 20—30 минут подходить к открытому огню, закуривать и тому подобное, так как кислород длительное время удерживается в складках одежды, волосах, что при наличии огня создает пожарную опасность.
3. Сварочные и ремонтные работы в ёмкостях и помещениях, где хранится жидкий кислород, должны производиться только после двух-трёхчасового проветривания их тёплым воздухом (70—80°С). Перед заливкой кислорода в новую ёмкость последняя обезжиривается.
4. При перекачке жидкого кислорода производится предварительное «захолаживание» системы малым расходом продукта. Без этого в «горячей» системе образуется сильный поток газифицированного кислорода, который при наличии резких поворотов и перепадов давления на элементах системы (вентили и тому подобное) может вызвать возгорание металла.

Окисление. окислы

Примером медленного окисления сложных веществ может служить процесс дыхания, который рассматривается на уроках биологии. Обращение к тому, что изучено на уроках по другому предмету, и в частности к биологии, имеет большое образовательное значение, так как способствует формированию правильного взгляда на химию как одну из наук о природе.

При этом следует отметить энергетическую сторону этих реакций, что за счет энергии окисления осуществляются многие жизненно важные процессы, связанные с затратой энергии.

Обращая внимание учащихся на экзотермичность многих окислительных реакций, следует предупредить образование ошибочного обобщения, состоящего в том, что учащиеся считают все реакции соединения элементов с кислородом экзотермическими. Нужно сообщить, что существуют и эндотермические окислительные реакции, например соединение азота с кисло родом.

В связи с изучением кислорода формируется понятие «окисел»: учащиеся наблюдают образование окислов при горении простых веществ. На этом основании они часто определяют окисел как соединение элемента с кислородом. В этом определении нет ошибки, но если этим определением ограничиться, то учащиеся распространяют его на продукты окисления и сложных веществ.

Поэтому к определению окисла нужно подводить учащихся на основе сравнения состава нескольких окислов. Для этого можно организовать самостоятельную работу по плану, указанному в работе № 8, стр. 99 учебника (изд. 1969 г.). Но нужно добавить требование к учащимся: на основании сравнения состава окислов указать, что общего у всех окислов, и написать, какие вещества называются окислами.

Распространение в природе и применение кислорода. Приобретенные учащимися знания о химических свойствах кислорода позволяют установить причинно-следственные связи между этими свойствами, нахождением этого элемента в природе и применением в различных областях народного хозяйства.

Так как необходимые сведения, предусмотренные программой по этой теме, даны в учебнике, то представляется возможным организовать самостоятельную работу учащихся с учебником на уроке по заданию учителя. Во вводном слове учитель указывает на необходимость связывать описанные в учебнике сведения о нахождении кислорода в природе, о его роли в жизни животных, человека и о применении со свойствами кислорода.

Чтобы закрепить эти связи в сознании учащихся, можно организовать их самостоятельную работу с учебником на уроке. Пользуясь учебником, они должны кратко ответить (желательно письменно) на вопросы о нахождении кислорода в природе: в каком виде (в смеси, или в растворе, или в соединении с другими элементами) находится кислород в природе: в атмосфере, в воде (в гидросфере), в земной коре, в живой природе? Какое участие он принимает в важнейших химических процессах, происходящих в живой и неживой природе?

О применении кислорода: укажите важнейшие области народного хозяйства, где применяется кислород (учебник, § 23). На каком свойстве кислорода Основано это применение?

После выполнения задания учитель проводит заключительную беседу со всем классом. В $той беседе зачитывается выборочно два-три отчета и вносятся исправления. Кроме того, учитель сообщает дополнительные сведения, не вошедшие еще в учебник, но имеющие большое научное или практическое значение.

Получение кислорода. Так как учащиеся уже приобрели предусмотренные программой знания о свойствах кислорода, то ученические экспериментальные работы на эту тему имеют целью уточнение и закрепление этих знаний и развитие умений, относящихся к технике химического эксперимента, а также умений самостоятельно, пользуясь знаниями учителя, выполнять сравнительно сложные опыты получения, собирания кислорода и испытание его свойств.

В качестве исходного материала для получения кислорода можно рекомендовать марганцовокислый калий, так как разложение его идет спокойно и реакция эта вполне безопасна. Можно получить кислород и из бертолетовой соли. В этом случае необходимо соблюдать осторожность и быть особенно внимательным при наблюдении за выполнением этого опыта учащимися: примеси угля и других органических веществ к бертолетовой соли могут послужить причиной взрыва при ее нагревании.

Собирать кислород можно путем вытеснения воздуха или воды из сосуда. Первый способ проще. Опыт проходит гладко, но учащиеся затрудняются определить, когда сосуд наполнен кислородом. При испытании тлеющей лучинкой они опускают ее на дно банки так часто, что кислород расходуется на горение этой лучинки и учащиеся иногда не в состоянии набрать в банку столько кислорода, чтобы можно было проделать с ним необходимые опыты.

При собирании кислорода в банку, наполненную водой, учащиеся видят, сколько газа собирается, но для успешного выполнения опыта в такой постановке требуются некоторые экспериментальные навыки. Иногда учащиеся неправильно рассчитывают, сколько нужно влить воды в пневматическую ванну, и при вытеснении кислородом воды из банки в ванне оказывается избыток воды, которая выливается на стол.

В некоторых случаях учащиеся временно прекращают нагревание пробирки с разлагаемой солью, не вынимая газоотводной трубки из воды. Вода перетягивается в пробирку с нагреваемым веществом. Такие неудачи постигают не только учащихся, начинающих работать по химии, но и учащихся старших классов.

Поэтому для таких опытов лучше пользоваться прибором, изображенным на рисунке 32. Склянка является предохранителем: в случае прекращения нагревания пробирки с разлагаемым веществом вода перебрасывается в этот сосуд, а при продолжении опыта она перекачивается давлением газа опять в пневматическую ванну.

В кислороде, собранном тем или иным способом в стеклянные банки, учащиеся могут сжечь уголь или стальное перо в зависимости от условий выполнения опыта. Нужно учесть, что для сжигания стального пера или железной проволоки нужно не менее полулитра чистого кислорода. Кроме того, нужно подробно рассказать и показать, как это делается.

В данной работе учащиеся приобретают следующие умения: 1) собирать прибор, в котором основные детали монтируются на железном штативе, 2) проверять герметичность прибора, 3) собирать малорастворимый газ над водой, 4) избегать переброса воды из сосуда с водой в пробирку, в которой нагревается твердое вещество (перманганат калия или бертолетова соль).

Эта работа сходна с первым лабораторным занятием. Здесь учащиеся не приобретают новых для них знаний, а учатся применять полученные знания и овладевать техникой химического эксперимента. Но организация ее должна отличаться тем, что задание расчленяется на меньшее количество частей и каждая часть включает более сложные требования.

В этой практической работе следует уделить особое внимание ознакомлению с прибором, чтобы учащиеся могли установить связь между конструкцией прибора и его назначением, между материалом, из которого он изготовлен, и теми процессами, которые в нем должны происходить.

В прилагаемой ниже работе три части. После выполнения каждой из них следует обсуждение ее выполнения.

Примерное задание для самостоятельной работы на тему «Получение кислорода и изучение его свойств». Подготовка прибора к опыту. Если для опыта использовать прибор, изображенный на рисунке 32, то надо сначала поставить горелку на подставку штатива, укрепить на штоке муфту и держатель, в котором закрепить пустую пробирку.

После этого следует передвинуть муфту с держателем и с пробиркой так, чтобы нижняя часть ее находилась в средней части пламени горелки. Затем необходимо закрыть пробирку пробкой с газоотводной трубкой, а конец ее опустить в ванночку с водой и проверить герметичность прибора.

Для этого нагреть пробирку, обхватив ее рукой, или слегка подогреть пламенем горелки и наблюдать выделение пузырьков воздуха из того конца трубочки, который погружен в воду. Воздух выходит из пробирки вследствие того, что его объем увеличивается при повышении температуры.

Когда пробирка охладится, вода станет подниматься по трубке вверх. Если пробирку нагревали сильно и воздуха из пробирки вышло много, то при ее охлаждении вода может перейти из ванночки в пробирку. Чтобы не допустить этого, нужно открыть пробирку, как только вода поднимется высоко по трубке.

Если прибор негерметичен (плохо подогнана пробка или слишком свободно входит в нее стеклянная трубка), то ни выхода воздуха из пробирки, ни подъема воды по трубке не происходит. После проверки и исправления прибора нужно наполнить водой банку, предназначенную для собирания кислорода, закрыть ее картонным кружочком, перевернуть вверх дном, погрузить в ванночку с водой и снять под водой кружочек.

Когда прибор будет подготовлен, следует показать его учителю и после его разрешения приступить к опыту.

Получение кислорода. Откройте пробирку, заполните около половины ее объема марганцовокислым калием и снова присоедините ее к прибору. Осторожно обогрейте всю пробирку пламенем горелки, чтобы удалить из нее воздух. Затем обогрейте только ту часть, где находится марганцовокислый калий.

Как только усилится выделение газа, введите конец газоотводной трубки в стеклянную банку и наблюдайте наполнение ее газом. Вода в ванночке иногда окрашивается в фиолетовый цвет (часть, пылевидного марганцовокислого калия увлекается кислородом и растворяется в воде).

Как только банка наполнится газом (вода опустится до ее горла), выньте газоотводную трубку из банки и из воды и только после этого прекращайте нагревание пробирки. Если же прекратить нагревание, а газоотводную трубку оставить в воде, то может произойти следующее: при охлаждении пробирки прекратится выделение кислорода, охладится оставшийся в пробирке газ и уменьшится его объем.

Если будете пользоваться прибором, изображенным на рисунке 32, то можно прекращать нагревание пробирки, не вынимая газоотводной трубки. В этом случае при охлаждении пробирки вода тоже может подняться по газоотводной трубке, но перельется не в пробирку, а в предохранительную склянку.

При возобновлении нагревания пробирки с марганцовокислым калием вода под давлением поступающего в склянку кислорода перейдет обратно из этой склянки в пневматическую ванну. Этот, прибор труднее изготовить, но пользоваться им значительно удобнее. Для этого прибора не требуется металлического штатива, его заменяет предохранительная склянка. Собранный газ покажите преподавателю.

Испытание полученного газа. Чтобы проверить, действительно ли полученный газ — кислород, осторожно откройте банку, внесите в ее верхнюю часть тлеющую лучинку, не погружая ее внутрь банки, чтобы не израсходовать много кислорода на эту пробу.

Поместите в железную ложечку небольшое количество серы, внесите ложечку в пламя горелки и держите до тех пор, пока она не загорится. Тогда внесите горящую серу в баночку с кислородом, наблюдайте за пламенем горящей серы, опускай постепенно ложечку ко дну банки. Отметьте различие в пламени серы, горящей в воздухе и в кислороде.

Напишите отчет, в котором укажите цель работы, нарисуйте прибор с указанием, где и какие вещества находились, нарисуйте опыт сжигания серы. Опишите кратко, как горит это вещество на воздухе и в кислороде. Затем прочитайте § 24 учебника и внесите в отчет исправления и дополнения, если в этом будет необходимость.

Приготовьте ответы на следующие вопросы:

1. Какие вещества называются катализаторами?

2. Назовите вещества, которые действуют как катализаторы в растениях и организмах животных?

Парамагнетические свойства

Для объяснения отклонения парамагнетических свойств жидкого кислорода от закона Кюри американским физикохимиком Г. Льюисом в 1924 году была предложена молекула тетракислорода (O4).[2] На сегодняшний день теория Льюиса считается лишь частично верной: компьютерное моделирование показывает, что хотя в жидком кислороде не образуется устойчивых молекул O4[3], молекулы O2 на самом деле имеют тенденцию объединяться в пары с противоположными спинами, которые образуют временные объединения O2—O2[3].

Получение

В пром. мас­шта­бах К. про­из­во­дят пу­тём сжи­же­ния и фрак­ци­он­ной пе­ре­гон­ки воз­ду­ха (см. в ст. Воз­ду­ха раз­де­ле­ние), а так­же элек­тро­ли­зом во­ды. В ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях К. по­лу­ча­ют раз­ло­же­ни­ем при на­гре­ва­нии пе­рок­си­да во­до­ро­да (2Н₂О₂= 2Н₂О О₂), ок­си­дов ме­тал­лов (напр., ок­си­да рту­ти: 2HgO=2Hg O₂), со­лей ки­сло­род­со­дер­жа­щих ки­слот-окис­ли­те­лей (напр., хло­ра­та ка­лия: 2KClO₃=2KCl 3O₂, пер­ман­га­на­та ка­лия: 2KMnO₄=K₂MnO₄ MnO₂ O₂), элек­тро­ли­зом вод­но­го рас­тво­ра NaOH. Га­зо­об­раз­ный К. хра­нят и транс­пор­ти­ру­ют в сталь­ных бал­ло­нах, ок­ра­шен­ных в го­лу­бой цвет, при дав­ле­нии 15 и 42 МПа, жид­кий К. – в ме­тал­лич. со­су­дах Дьюа­ра или в спец. цис­тер­нах-тан­ках.

Применение

Тех­нич. К. ис­поль­зу­ют как окис­ли­тель в ме­тал­лур­гии (см., напр., Ки­сло­род­но-кон­вер­тер­ный про­цесс), при га­зопла­мен­ной об­ра­бот­ке ме­тал­лов (см., напр., Ки­сло­род­ная рез­ка), в хи­мич. пром-сти при по­лу­че­нии ис­кусств. жид­ко­го то­п­ли­ва, сма­зоч­ных ма­сел, азот­ной и сер­ной ки­слот, ме­та­но­ла, ам­миа­ка и ам­ми­ач­ных удоб­ре­ний, пе­рок­си­дов ме­тал­лов и др. Чис­тый К. ис­поль­зу­ют в ки­сло­род­но-ды­ха­тель­ных ап­па­ра­тах на кос­мич. ко­раб­лях, под­вод­ных лод­ках, при подъ­ё­ме на боль­шие вы­со­ты, про­ве­де­нии под­вод­ных ра­бот, в ле­чеб­ных це­лях в ме­ди­ци­не (см. в ст. Ок­си­ге­но­те­ра­пия). Жид­кий К. при­ме­ня­ют как окис­ли­тель ра­кет­ных то­п­лив, при взрыв­ных ра­бо­тах. Вод­ные эмуль­сии рас­тво­ров га­зо­об­раз­но­го К. в не­ко­то­рых фто­рор­га­нич. рас­тво­ри­те­лях пред­ло­же­но ис­поль­зо­вать в ка­че­ст­ве ис­кусств. кро­ве­за­ме­ни­те­лей (напр., пер­фто­ран).

Распространённость в природе.

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

Свойства

Строе­ние внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма К. 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 О^2– 121 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 2). В га­зо­об­раз­ном, жид­ком и твёр­дом состояни­ях К. су­ще­ст­ву­ет в ви­де двух­атом­ных мо­ле­кул О₂. Мо­ле­ку­лы О₂ па­ра­маг­нит­ны. Су­ще­ст­ву­ет так­же ал­ло­троп­ная мо­ди­фи­ка­ция К. – озон, со­стоя­щая из трёх­атом­ных мо­ле­кул О₃.

В осн. со­стоя­нии атом К. име­ет чёт­ное чис­ло ва­лент­ных элек­тро­нов, два из ко­то­рых не спа­ре­ны. По­это­му К., не имею­щий низ­кой по энер­гии ва­кант­ной d-ор­би­та­ли, в боль­шин­ст­ве хи­мич. со­еди­не­ний двух­ва­лен­тен. В за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра хи­мич. свя­зи и ти­па кри­стал­лич. струк­ту­ры со­еди­не­ния ко­ор­ди­нац. чис­ло К. мо­жет быть раз­ным: 0 (ато­мар­ный К.), 1 (напр., О₂, СО₂), 2 (напр., Н₂О, Н₂О₂), 3 (напр., Н₃О ), 4 (напр., ок­со­аце­та­ты Ве и Zn), 6 (напр., MgO, CdO), 8 (напр., Na₂O, Cs₂O). За счёт не­боль­шо­го ра­диу­са ато­ма К. спо­со­бен об­ра­зо­вы­вать проч­ные π-свя­зи с др. ато­ма­ми, напр. с ато­ма­ми К. (О₂, О₃), уг­ле­ро­да, азо­та, се­ры, фос­фо­ра. По­это­му для К. 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 К. двой­ная. Ес­ли при фо­то­хи­мич. или хи­мич. 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 К. 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 осн. 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 хи­мич. ак­тив­но­сти К. Оба воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ния мо­ле­ку­лы О₂ иг­ра­ют важ­ную роль в ре­ак­ци­ях окис­ле­ния в га­зо­вой фа­зе.

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

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

К. об­ра­зу­ет три ион­ные фор­мы, ка­ж­дая из ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет свой­ст­ва отд. клас­са хи­мич. со­еди­не­ний: $ce{O2^-}$– су­пер­ок­си­дов (фор­маль­ная сте­пень окис­ле­ния ато­ма К. –0,5),  $ce{O2^2^-}$ – пе­рок­сид­ных со­еди­не­ний (сте­пень окис­ле­ния ато­ма К. –1, напр. во­до­ро­да пе­рок­сид Н₂О₂), О^2– – ок­си­дов (сте­пень окис­ле­ния ато­ма К. –2). По­ло­жи­тель­ные сте­пе­ни окис­ле­ния 1 и 2 К. про­яв­ля­ет во фто­ри­дах O₂F₂ и ОF₂ со­от­вет­ст­вен­но. Фто­ри­ды К. не­ус­той­чи­вы, яв­ля­ют­ся силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми и фто­ри­рую­щи­ми реа­ген­та­ми.

Мо­ле­ку­ляр­ный К. 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 К. в ор­га­низ­ме те­п­ло­кров­ных.

Физические свойства

При нормальных условиях кислород это газ без цвета, вкуса и запаха. 1л его весит 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.

Твердый кислород (темп. плавления −218,79 °C) — синие кристаллы. Известны шесть кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:

α-О2 — существует при температуре ниже 23,65 К; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии, параметры ячейки a=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53° .β-О2 — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 К; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å, α=46,25°.

Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:δ-О2 интервал температур до 300 К и давление 6-10 ГПа, оранжевые кристаллы;ε-О2 давление от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от темно красного до чёрного, моноклинная сингония;

Физические свойства кислорода

Изучение кислорода следует начинать с. рассмотрения простого вещества, его физических свойств. Кислород должен быть заготовлен заранее, до начала урока, и храниться в колбах, склянках, а еще лучше в стеклянном газометре. Если в школе нет газометра, то можно приготовить самодельный газометр.

На рисунке 28 изображен такой газометр, который с успехом заменяет фабричный и даже имеет некоторые преимущества, а именно при наполнении его кислородом или каким-либо другим газом, малорастворимым в воде, не нужно выпускать воду из газометра в раковину или в ведро, как это делается при наполнении фабричных газометров, а достаточно переставить склянки, как указано на рисунке, и собрать кислород в верхнюю склянку.

Чтобы взять кислород из такого газометра, нужно переставить склянки, как указано на рисунке. Таким образом, можно все время пользоваться газометром, обходясь одним и тем же количеством воды. За неимением тубулатных склянок можно воспользоваться простыми склянками и даже бутылками (рис. 29).

То обстоятельство, что учащиеся владеют некоторыми знаниями о свойствах кислорода, обязывает учителя правильно использовать эти знания для усиления познавательной активности на уроках, отведенных изучению кислорода.

Два существенных изменения должны быть внесены в метод беседы, который применяется обычно на уроках на данную тему. Во-первых, должно быть предоставлено время для выяснения того, что учащиеся знают о кислороде. Искусство руководства таким «обменом жизненным опытом» состоит в том, чтобы задерживать внимание учащихся на тех сообщениях, которые соответствуют цели урока, и проходить быстро мимо сведений второстепенных, уводящих беседу в сторону от ее цели.

Вторая особенность проведения беседы — решение целесообразно подобранных химических задач, текстовых и экспериментальных. Эти задачи должны вытекать из сообщений учащихся о свойствах кислорода как упражнение в применении знаний, в процессе которого учащиеся приобретают дополнительные сведения о кислороде.

Рассказывая о физических свойствах кислорода, учащиеся обычно сообщают, что кислород — газ, и не указывают условия его газообразного состояния. Учитель сам рассказывает об этом, но учащиеся воспринимают его рассказ пассивно. Такие знания недолговечны, а самое главное, их приобретение не развивает у учащихся стремления к познанию.

Иное отношение к учению возникает, если учитель признает этот ответ неточным и предложит учащимся указать эти неточности. Если учащиеся ничего не знают о жидком кислороде, тогда учитель сообщает о трех состояниях кислорода при разных температурах. Теперь это сообщение воспринимается иначе: как ответ на вопрос, который они пытались решить сами.

При ознакомлении учащихся с плотностью кислорода они должны узнать, что кислород немного тяжелее воздуха. Эти знания они могут получить со слов учителя или же на основе наблюдения демонстрируемого опыта. Демонстрацию можно провести, применяя вторую или четвертую форму сочетания слова учителя со средствами наглядности.

В случае применения второй формы учитель начинает беседу с постановки вопроса: какой газ тяжелее — воздух или кислород? Учащиеся отвечают, что нужно взвесить тот и другой газ. Тогда следует второй вопрос: как это сделать, не взвешивая ни кислород, ни воздух?

Надо навести учащихся на мысль о том, как собирать в цилиндр газы, которые легче или тяжелее воздуха. После этого учитель наполняет кислородом два одинаковых цилиндра, один из которых при наполнений держит вверх дном. Затем, не закрывая цилиндров, он оставляет один из них стоять на столе, а другой держит перевернутым вверх дном в течение 10-15 сек.

После этого вносит тлеющую лучинку в оба цилиндра, она вспыхивает в обоих. Это значит, что ив том и в другом цилиндре находится кислород. Но можно заметить, что в перевернутом вверх дном цилиндре лучинка горит не так ярко, как в другом, Значит, концентрация кислорода там меньше.

Изучение растворимости кислорода в воде тоже можно начать с вопроса: растворяется ли кислород в воде? Некоторые учащиеся отвечают утвердительно и приводят в доказательство то, что рыбы дышат, пропуская воду через жабры. Других же доказательств растворимости кислорода они не знают.

Чтобы показать сравнительно малую растворимость этого газа, рекомендуется показать опыт (рис. 30). В большую (литровую) колбу наливают до половины прокипяченную холодную воду, зачтем осторожно, не встряхивая колбы, наполняют ее кислородом, плотно закрывают резиновой пробкой, через которую проходит изогнутая стеклянная трубка.

Педагогический эффект получается различный в зависимости от метода демонстрации этого опыта. Учащиеся без особого напряжения внимания смотрят, когда учитель демонстрирует опыт после сообщения его результата, т. е. применяет третью форму сочетания слова с показом средств наглядности.

Внимание учащихся и мыслительная деятельность усиливаются, когда применяется первая или вторая форма сочетания слова и показа опыта. Например, учитель вместе с учащимися решает задачу: как узнать, растворяется ли кислород в воде, если растворяется, то много или мало его переходит в раствор.

Затем он предлагает воспользоваться прибором, изображенным на рисунке 30, и разрабатывает вместе с классом методику выполнения опыта: сколько и какой воды налить в колбу, как наполнять ее кислородом, как изменится давление в колбе, если кислород растворится, как узнать об уменьшении давления, какую жидкость налить в стакан и что дальше делать и как наблюдать.

Разумеется, не все учащиеся одинаково активно участвуют в этом «исследовании», но те, кто только слушает и наблюдает, узнают не меньше того, если бы они наблюдали демонстрацию. Чтобы у учащихся создалось более яркое представление о соотношении объемов растворенного кислорода и воды, можно показать поставленные на подъемный столик двухлитровую склянку с водой и маленькую скляночку емкостью 60 мл.

Химические свойства кислорода

Тот же метод ведения беседы можно применять и при изучении химических свойств кислорода. Сначала проверяют и уточняют знания учащихся — какие свойства называются химическими. Затем выясняют, что кислород как простое вещество может участвовать только в двух типах реакций (соединения и замещения), после чего ставятся задачи изучения реакций соединения кислорода с другими простыми веществами, известными учащимся (с серой и железом).

Вместо того чтобы рассказывать, как происходит реакция соединения серы и кислорода, учитель предлагает следующий вопрос: соединяется ли кислород с серой? Так как учащиеся уже наблюдали горение серы при изучении реакции соединения серы с железом, то большинство отвечают на этот вопрос утвердительно, но не указывают, при каких условиях начинается эта реакция.

Учитель предлагает проверить этот ответ опытом. Он наполняет стеклянную банку кислородом, затем берет железной ложечкой небольшое количество измельченной серы и опускает в банку с кислородом. Сера не горит. Учитель смотрит испытующе на учащихся. В классе скоро наступает оживление, так как всегда находятся учащиеся, которые догадываются о причине отрицательного результата опыта и предлагают сначала поджечь серу и потом опускать в банку с кислородом.

Учитель повторяет опыт с тем, однако, изменением, что вносит в кислород уже горящую серу. Затем он предлагает учащимся объяснить, почему серу поджигали только для начала реакции, а потом она продолжала гореть. Такой вопрос оказывается неожиданным, а ответ на него трудным — учитель сам отвечает.

Обычно после объяснение учащиеся так резюмируют объяснение учителя: «реакция сама себя подогревает». Учитель же, пользуясь данным случаем, обращает внимание учащихся на необходимость выяснения условий, при которых проходят химические реакции. Особенно важно учитывать температуру.

Можно предложить привести из обыденной жизни пример химической реакции, которая начинается только при высокой температуре, а затем продолжается без внешнего подогрева. На основании разбора этой реакции учащиеся записывают химическими формулами схему реакции (или уравнение).

В дополнение к этому опыту рекомендуется показать горение железа по следующим методическим соображениям: 1) горение в кислороде вещества подчеркивает химическую активность кислорода и необходимость предварительного нагревания (применение «запала»); 2) о высокой температуре в зоне горения железа можно судить по яркости искр и плавлению окалины; 3) продукт реакции, окисел, — твердое вещество, его легко рассмотреть и сравнить с природным магнитным железняком.

Можно показать сжигание стального пера в стеклянной банке емкостью около литра (в сосуде малой емкости опыт не всегда удается, так как почти весь кислород расходуется на горение «запала»). Для успешного выполнения этого опыта рекомендуется (путем сухой перегонки соответствующих размеров лучинок) приготовить уголек длиной около 2 см, диаметром около 0,3 см, расщепить стальное перо и вставить в образовавшийся зазор уголек (рис. 31); затем накалить уголек в пламени горелки, нагревая одновременно и стальное перо, и внести раскаленный уголек в банку с чистым кислородом, медленно опуская его круговыми движениями ко дну банки.

Если же опустить горящий уголек сразу на дно сосуда с кислородом, то получающийся при горении угля углекислый газ вытеснит кислород из средней и верхней части сосуда, и горение прекратится. При слишком медленном опускании интенсивность горения может оказаться недостаточной для того, чтобы перо накалилось до температуры, необходимой для начала горения железа. Анализ этого опыта проводится в том же плане, что и анализ предыдущего опыта.

Можно показать горение железа таким способом: намазать клейстером узкую полоску бумаги, обсыпать ее порошком восстановленного железа и высушить. Перед внесением в банку с кислородом конец этой бумажной полоски нужно поджечь.

Вопрос о методике демонстрации этих опытов решается исходя из учебных задач, с учетом состояния знаний учащихся и сложности демонстрируемых опытов. Если учитель имеет в виду не только сообщение знаний, но и развитие наблюдательности и мышления у учащихся, то он может применить исследовательский метод в том варианте, который применялся при демонстрации горения серы.

На примере двух экзотермических реакций учитель сможет показать химическую активность кислорода в отношении к простым веществам. Некоторые опытные учителя химии включают в описанный урок не только демонстрации предметов и процессов, но и работу учащихся с раздаточным материалом, и простейшие ученические опыты.

Учащимся раздают пробирки, наполненные кислородом и опущенные открытыми концами в пневматические ванночки. В процессе беседы учащиеся наблюдают физическое состояние, цвет кислорода, определяют, что это газ без запаха; затем сжигают в пробирках с кислородом угольки и сравнивают плотность воздуха и кислорода (держат открытыми пробирки с кислородом — одну вверх донышком, а другую вниз — и испытывают находящийся в них газ тлеющей лучинкой).

1. Кислород может соединяться не только с железом и серой, но и с другими химическими элементами.

2. В большинстве случаев эти реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты.

3. В результате соединения кислорода с другими элементами получаются окислы.

Реакцию замещения кислородом другого элемента не представляется возможным изучать на данной ступени обучения химии. В заключение химической характеристики кислорода следует указать на то, что кислород может присоединяться не только к простому, но и к сложному веществу, что эти реакции могут проходить не только быстро (как горение), но и медленно. Здесь же уместно ввести термин «окисление» и формулировать определение окислов.