Кислород: просто и понятно о физических и химических свойствах

Все тесты

История открытия

Что такое воздух? Древние народы глубоко задумывались над этим вопросом. И это не удивительно, когда понимаешь, насколько важен воздух для многих процессов. Объекты не могут гореть без воздуха. Человек не может выжить без воздуха. На самом деле, древние народы думали, что воздух должен быть «элементом».

Но они использовали слово «элемент» в несколько ином значении, нежели современные учёные. Для древних людей элемент был чем-то очень важным и основным. Воздух соответствует этому описанию, наряду с огнём, водой и землёй. Впоследствии многие учёные повлияли на открытие такого элемента, как кислород:

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

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

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

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

Конспект урока по химии: «свойства и применение кислорода»

Получение кислорода в лаборатории

Лабораторные методы получения кислорода основаны на химических реакциях.

Дж. Пристли получал этот газ из соединения, название которого — меркурийРис. 54.Получение кислорода нагреванием меркурий оксида

Соответствующее химическое уравнение:

Сейчас метод Пристли не используют, поскольку пары ртути токсичны. Кислород получают с помощью других реакций, подобных рассмотренной. Они, как правило, происходят при нагревании.

Реакции, при которых из одного вещества образуются несколько других, называют реакциями разложения.

Для получения кислорода в лаборатории используют такие оксигенсодержащие соединения:

Небольшое количество катализатора — манганПолучение кислорода разложением гидроген пероксида Налейте в пробирку 2 мл раствора гидроген пероксида (традиционное название этого вещества — перекись водорода). Зажгите длинную лучинку и погасите ее (как вы это делаете со спичкой), чтобы она едва тлела. Насыпьте в пробирку с раствором гидроген пероксида немного катализатора — черного порошка манган

Составьте уравнение реакции разложения гидроген пероксида, если вторым продуктом реакции является вода

В лаборатории кислород можно также получить разложением натрий нитрата

селитры.Кислород вместе с водородом являются продуктами разложения воды под действием электрического тока:

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.

Распространенность оксигена в природе

Оксиген — один из самых распространенных элементов на нашей планете. В земной коре его атомов больше, чем атомов любого другого элемента (§ 6). Атомы Оксигена содержатся в песке, глине, известняке, многих минералах. Оксиген — второй по распространенности в атмосфере (после Нитрогена) и в гидросфере (после Гидрогена).

Атомы Оксигена входят в состав молекул многих веществ, находящихся в живых организмах (белков, жиров, крахмала и пр.). В теле взрослого человека массовая доля этого элемента составляет примерно 65 %.

Кислород. Важнейшее простое вещество Оксигена — кислород. Этот газ необходим для дыхания; он поддерживает горение.

Формула кислорода вам известна —

Молекула кислорода достаточно устойчива. Но под действием электрического разряда или ультрафиолетовых лучей, а также при температуре свыше 2000 °С она распадается на атомы:

Кислород — компонент воздуха, природной смеси газов. На него приходится приблизительно 1/5

Атомы Оксигена входят в состав молекул многих веществ, находящихся в живых организмах (белков, жиров, крахмала и пр.). В теле взрослого человека массовая доля этого элемента составляет примерно 65 %.

Кислород. Важнейшее простое вещество Оксигена — кислород. Этот газ необходим для дыхания; он поддерживает горение.

Формула кислорода вам известна — 02. Это вещество содержит молекулы, состоящие из двух атомов Оксигена.

Молекула кислорода достаточно устойчива. Но под действием электрического разряда или ультрафиолетовых лучей, а также при температуре свыше 2000 °С она распадается на атомы:

02 = 20.

Кислород — компонент воздуха, природной смеси газов. На него приходится приблизительно 1/5 объема воздуха. Состав сухого воздуха

Организм взрослого мужчины ежесуточно потребляет приблизительно 900 г кислорода, а женщины — 600 г.

Состав воздуха:

Газ компонент воздуха       Доля воздуха в%

Название	Формула	объемная*	массовая
Азот		78,09	75,51
Кислород		20,95	23,15
Аргон		0,93	1,28
углекислый газ		0,037	0,056
Другие газы		менее 0,002	менее 0,003

* Объемная доля вещества в смеси — отношение объема вещества к объему смеси. Объемную долю обозначают греческой буквой

Определить объемную долю кислорода в воздухе можно экспериментально. Для этого нужны стеклянная бутылка без дна с пробкой и кристаллизатор с водой. В пробку вставляют ложку для сжигания, в которую набрано немного красного фосфора. Его поджигают, быстро вносят в бутылку и плотно I закрывают ее пробкой (рис. 52).

Кислород содержится не только в атмосфере. Небольшое его количество вместе с другими газами воздуха растворено в природной воде.

Существует еще одно простое вещество Оксигена — озон Это бесцветный сильнотоксичный газ с резким запахом. Он очень неустойчив и постепенно превращается в кислород:

Озон содержится в атмосфере в незначительном количестве; его объемная доля не превышает

Определение объемной доли кислорода в воздухе сжиганием фосфора:

а — начало опыта;

б — окончание опыта

1 0,0004 %. Распадаясь, он поглощает часть ультрафиолетовых лучей солнечного света, вредную для растений и животных, и тем самым оберегает природу.

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.

Химические свойства

Сильный окислитель, взаимодействует, практически, со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры. Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:4K  O2 → 2K2O2Sr  O2 → 2SrO

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:2NO  O2 → 2NO2

Окисляет большинство органических соединений:CH3CH2OH  3O2 → 2CO2  3H2O

При определенных условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:CH3CH2OH  O2 → CH3COOH  H2O

Кислород не окисляет Au и Pt, галогены и инертные газы.

Кислород образует пероксиды со степенью окисления −1.— Например, пероксиды получаются при сгорании щелочных металлов в кислороде:2Na  O2 → Na2O2

— Некоторые окислы поглощают кислород:2BaO  O2 → 2BaO2

— По принципам горения, разработанным А. Н. Бахом и К. О. Энглером, окисление происходит в две стадии с образованием промежуточного пероксидного соединения. Это промежуточное соединение можно выделить, например, при охлаждении пламени горящего водорода льдом, наряду с водой, образуется перекись водорода:H2  O2 → H2O2

Надпероксиды имеют степень окисления −1/2, то есть один электрон на два атома кислорода (ион O2-). Получают взаимодействием пероксидов с кислородом при повышенных давлениям и температуре:Na2O2  O2 → 2NaO2

Озониды содержат ион O3- со степенью окисления −1/3. Получают действием озона на гидроксиды щелочных металлов:КОН(тв.)  О3 → КО3  КОН  O2

Ион диоксигенил O2 имеет степень окисления 1/2. Получают по реакции:PtF6  O2 → O2PtF6

Фториды кислородаДифторид кислорода, OF2 степень окисления 2, получают пропусканием фтора через раствор щелочи:2F2  2NaOH → OF2  2NaF  H2O

Монофторид кислорода (Диоксидифторид), O2F2, нестабилен, степень окисления 1. Получают из смеси фтора с кислородом в тлеющем разряде при температуре −196 °C.

Пропуская тлеющий разряд через смесь фтора с кислородом при определенных давлении и температуре получаются смеси высших фторидов кислорода O3F2, О4F2, О5F2 и О6F2.