- Что такое круговорот кислорода?
- Биологическая роль кислорода
- В химической промышленности
- Где происходит кислородный цикл?
- Изотопы
- Историческая справка
- История открытия
- Как мы используем кислород?
- Как производится кислород?
- Кислород как химический элемент
- Кислород, его общая характеристика и нахождение в природе. получение кислорода и его физические свойства
- Получение
- Применение
- Применение кислорода
- Применение кислорода в сварке
- Примечания
- Происхождение названия
- Ракетное топливо
- Распространённость в природе.
- Свойства
- Соединения кислорода
- Способы получения кислорода
- Строение молекулы
- Токсические производные кислорода
- Урок 11. кислород: получение, физические и химические свойства,применение. оксиды. круговорот кислорода в природе — химия — 8 класс — российская электронная школа
- Физические свойства
- Фториды кислорода
- Хранение и транспортировка кислорода
- Электронное строение кислорода
Что такое круговорот кислорода?
Для жизни нужен кислород. Это бесцветный газ без запаха, на который приходится более 20% атмосферы. Вы найдете кислород в озоновом слое, двуокиси углерода, воде и даже земной коре.
Круговорот кислорода – это очень важный биогеохимический цикл, при котором постоянно вырабатывается новый кислород и осуществляется его перенос между главными резервуарами/сферами Земли: атмосфера, биосфера, гидросфера и литосфера.
Кислород – это один из наиболее распространенных элементов на Земле, который присутствует в значительном количестве в каждом основном резервуаре. Безусловно, наибольшим резервуаром кислорода на планете являются силикатные и оксидные минералы в земной коре и мантии (99,5% от общей массы).
В атмосфере, гидросфере и биосфере суммарно присутствует менее 0,05% общей массы кислорода на Земле. Кроме O2, дополнительные атомы кислорода присутствуют в различных формах, распределенных по всей поверхности резервуаров в молекулах биомассы, H2O, CO2, HNO3, NO, NO2, CO, H2O2, O3, SO2, H2SO4, MgO, CaO, AlO, SiO2, и PO4.
Биологическая роль кислорода
Аварийный запас кислорода в бомбоубежище
Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом воздуха.
Широко используется кислород в медицине.
При сердечно-сосудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»).
Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях.
Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном.
Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.
В химической промышленности
В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленных синтезах, например, — окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кислоты), аммиака в оксиды азота в производстве азотной кислоты.
Вследствие высоких температур, развивающихся при окислении, последние часто проводят в режиме горения.
В тепличном хозяйстве, для изготовления кислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.
Где происходит кислородный цикл?
Производство и круговорот кислорода, как мы упоминали ранее происходит в четырех основных сферах Земли:
- Атмосфере (воздух) – процессе фотолиза образуется кислород, который затем формирует озоновый слой, защищающий планету от вредного солнечного излучения.
- Биосфера (глобальная экосистема Земли) – это место, где живут люди, растения и животные, и именно здесь производится наибольшее количество кислорода в процессе фотосинтеза.
- Гидросфере – фитопланктон, обитающий на поверхности океанов и морей, также использует фотосинтез для производства кислорода.
- Литосфера – крупнейший резервуар, где содержится больше всего кислорода. Кислород находится внутри горных пород и минералов, поэтому у нас нет доступа к нему. Но некоторые растения и животные могут извлекать минералы из горных пород, что позволяет выделять кислород.
Изотопы
Основная статья: Изотопы кислорода
Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16О, 17О и 18О, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759 %, 0,037 % и 0,204 % от общего числа атомов кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого из них 16О связано с тем, что ядро атома 16О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов (дважды магическое ядро с заполненными нейтронной и протонной оболочками). А такие ядра, как следует из теории строения атомного ядра, обладают особой устойчивостью.
Также известны радиоактивные изотопы кислорода с массовыми числами от 12О до 24О.
Историческая справка
К. получили в 1774 независимо К. Шееле (путём прокаливания нитратов калия KNO3 и натрия NaNO3, диоксида марганца MnO2 и др. веществ) и Дж. Пристли (при нагревании тетраоксида свинца Pb3О4 и оксида ртути HgО). Позднее, когда было установлено, что К. входит в состав кислот, А. Лавуазье предложил назв. oxygène (от греч. ὀχύς – кислый и γεννάω – рождаю, отсюда и рус. назв. «К.»).
История открытия
Официально считается[2][3], что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли1 августа1774 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.
Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле.
Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.
Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория.
Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу 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.
Как мы используем кислород?
Сделайте глубокий вдох, а затем выдохните. Все живые существа дышат посредством процесса, называемого дыханием, когда вдыхается кислород и выдыхается углекислый газ. Кислород также используется, когда умирают растения и животные. В процессе их разложение поглощается кислород и выделяется углекислый газ.
Для химических реакций также необходим кислород. Вы когда-нибудь оставляли свой велосипед под дождем и замечали, что на нем начинает образовываться ржавчина? Появление на железе ржавчины является следствие процесса окисления, при котором расходуется кислород. Пожар был бы невозможен без кислорода. В процессе горение используется кислород и выделяют углекислый газ.
Люди и другие живые существа непрерывно выделяют в атмосферу углекислый газ. Так же как автомобили, дымоходы, промышленные трубы, пожары. вулканы и т.д. В случае избытка углекислого газа и нехватки кислорода, большинство живых существ погибнет.
Как производится кислород?
Как мы уже упоминали, одним из ключевых ингредиентов в производстве кислорода является диоксид углерода. Растения и деревья производят кислород при помощи фотосинтеза. Фотосинтез – это процесс, при котором солнечный свет попадает на листья, а содержащийся в них хлорофилл – вместе с водой из почвы и углекислым газом из атмосферы – смешиваются вместе, образуя две очень важные вещи: питательные вещества для растений и кислород для животных. Во время фотосинтеза растения также выделяют лишнюю воду.
Фитопланктон – это крошечные водоросли, которое встречается в верхнем слое большинства водных сред, таких как озера, моря и океаны. На фитопланктон приходиться значительная часть глобальной выработки кислорода посредством фотосинтеза.
Кислород как химический элемент
https://www.youtube.com/watch?v=_EING_B8boA
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, его общая характеристика и нахождение в природе. получение кислорода и его физические свойства
Наш урок посвящен химическому элементу, который занимает особое место в жизни человека и всего живого. Речь пойдет о кислороде. Вы познакомитесь с общей характеристикой химического элемента – кислорода по его положению в ПСХЭ, рассмотрим нахождение кислорода в природе, изучим способы получения кислорода и его физические свойства.
Также данный урок посвящен изучению истории открытия одного из самых известных неорганических веществ – кислорода. Из материалов урока вы узнаете, кому принадлежит приоритет открытия кислорода и кто дал название этом веществу.
Эпиграф урока
“Кислород — это вещество, вокруг которого вращается земная химия”.
Я. Берцелиус.
I. Познавательный фильм: “Кислород”
II. Общая характеристика кислорода как химического элемента по положению его в ПСХЭ
Кислород — элемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным порядковым номером 8.
Обозначается символом O (лат. Oxygenium).
Относительная атомная масса химического элемента кислорода равна 16, т.е. Ar(O)=16.
Относительная молекулярная масса равна 32, т.е. Мr(O2)=32.
III. Валентность кислорода, физические свойства
В соединениях кислород обычно двухвалентен (в оксидах), валентность VI не существует. В свободном виде встречается в виде двух простых веществ: О2 («обычный» кислород) и О3 (озон). О2 — газ без цвета и запаха, с относительной молекулярной массой =32. О3 – газ без цвета с резким запахом, с относительной молекулярной массой =48.
Температура кипения сжиженного кислорода -183 С, температура плавления твердого кислорода -219 С. Интересно, что кислород притягивается магнитом.
Кислород поддерживает дыхание и горение. Причем, если внести в сосуд с кислородом тлеющую лучинку, то она вспыхнет ярким пламенем.
Это интересно: “Какого цвета твердый кислород”
При температуре 90 K газ кислород превращается в бледно-голубую жидкость, а при температуре 54 K становится твёрдым. Но твёрдый кислород твёрдому кислороду рознь: в интервале давлений от 0 до приблизительно 130 гигапаскалей (1,3 млн атмосфер) кислород может существовать по крайней мере в шести модификациях (их обозначают греческими буквами γ, β, α, δ, ε и ζ). Эти модификации отличаются друг от друга кристаллической решёткой, магнитными и электрическими свойствами, а также цветом. Например, при давлении 5,4 гПа (это примерно в 52 тысячи раз выше атмосферного) твёрдый кислород имеет бледно-голубой цвет. При дальнейшем повышении давления (до 10 гПа) твёрдый кислород становится красным. Некоторые модификации твёрдого кислорода даже называют по их характерному цвету. Например, δ-O2 называют оранжевым кислородом, а ε-O2 — красным кислородом.
IV. Кислород в природе
Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 49% массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,5% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 21% по объёму и 23% по массе. Более 1500 соединений земной коры в своем составе содержат кислород.
Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 20 %, по массовой доле — около 65 %.
V. Открытие и получение кислорода
Открытие кислорода приходится на XVIII век. До этого времени считалось, что любой газ – это разновидность воздуха. Началом изучения газов послужило, казалось бы, незначительное изобретение. Английский ученый Гейлс предложил прибор для сбора газов. Заполненную водой колбу он опустил горлом вниз в сосуд с водой, в горло колбы поместил изогнутый ружейный ствол, по которому в колбу, вытесняя воду, поступали газы. Вот с этого прибора все и началось…
Приоритет открытия кислорода принадлежит англичанину Джозефу Пристли.В 1774 г. он обнаружил, что при разложении оксида ртути образуется газообразное вещество, в атмосфере которого тлеющая лучина вспыхивает ярким пламенем, а дышать этим газом особенно легко. Это был кислород. Уравнение реакции разложения оксида ртути:
2HgO = 2Hg O2
Пристли поделился своим открытием с А.Лавуазье, и тот дал газу название «кислород».
Интересно, что еще до работ Дж. Пристли в 1771 г. опыты по разложению оксида ртути проделал шведский химик Карл Шееле. Но результаты его исследований были опубликованы только в 1775 г., поэтому Пристли о них ничего не знал.
Есть еще один интересный исторический факт. Оказывается голландский химик Корнелиус Дреббел примерно за 150 лет до Пристли и Шееле получил кислород при нагревании нитрата калия:
2KNO3 = 2KNO2 O2
Он описал свойства полученного газообразного вещества: тлеющий уголек в нем вспыхивал, в атмосфере этого газа легко дышалось. Свое открытие ученый даже использовал на изобретенном им подводном судне. Однако в то время ученые не интересовались газами, и открытие Дреббела даже не заметили.
VI. Получение кислорода
Промышленный способ получения кислорода
В промышленных целях кислород необходимо получать в больших объёмах и максимально дешёвым способом. Такой способ получения кислорода был предложен лауреатом Нобелевской премии Петром Леонидовичем Капицей. Он изобрёл установку для сжижения воздуха. Как известно, в воздухе находится около 21% по объему кислорода. Кислород можно выделить из жидкого воздуха методом перегонки, т.к. все вещества, входящие в состав воздуха имеют разные температуры кипения. Температура кипения кислорода — -183°С, а азота — -196°С. Значит, при перегонке сжиженного воздуха первым закипит и испарится азот, а затем – кислород.
Лабораторные способы получения кислорода
В лаборатории кислород требуется не в таких больших количествах, как в промышленности. Обычно его привозят в голубых стальных баллонах, в которых он находится под давлением. В некоторых случаях всё же требуется получить кислород химическим путём. Для этого используют реакции разложения.
1. Разложение пероксида водорода
При комнатной температуре пероксид водорода разлагается медленно (признаков протекания реакции мы не видим), но этот процесс можно ускорить, если добавить в раствор несколько крупинок оксида марганца(IV). Вокруг крупинок черного оксида сразу начинают выделяться пузырьки газа. Это кислород. Как бы долго ни протекала реакция, крупинки оксида марганца(IV) в растворе не растворяются. То есть, оксид марганца(IV) участвует в реакции, ее ускоряет, но сам в ней не расходуется.
Вещества, которые ускоряют реакцию, но не расходуются в реакции, называют катализаторами.
Реакции, ускоряемые катализаторами, называют каталитическими.
Ускорение реакции катализатором называют катализом.
Таким образом, оксид марганца (IV) в реакции разложения пероксида водорода служит катализатором. В уравнении реакции формула катализатора записывается сверху над знаком равенства. Запишем уравнение проведенной реакции. При разложении пероксида водорода выделяется кислород и образуется вода. Выделение кислорода из раствора показывают стрелкой, направленной вверх:
2. Разложение перманганата калия
В повседневной жизни вы наверняка сталкивались с веществом, которое в быту называется «марганцовкой». Химическое название этого вещества — перманганат калия, его химическая формула KMnO4.
При нагревании перманганат калия разлагается с образованием кислорода.
В пробирку насыпают кристаллический перманганат калия. При нагревании перманганат калия разлагается, выделяющийся кислород поступает по газоотводной трубке в колбу-приемник. Кислород тяжелее воздуха, поэтому не покидает колбу и постепенно заполняет ее. Если опустить тлеющую лучину в колбу с собранным кислородом, то она ярко вспыхнет.
Уравнение проведенной реакции:
2 KMnO4 = K2MnO4 MnO2 O2 ↑
3. Разложение бертолетовой соли
Для получения кислорода к бертолетовой соли всегда примешивают оксид марганца МпО2 или другое вещество, каталитически ускоряющее процесс разложения. Если нагревать более или менее значительные количества чистой соли, то на поверхности расплава может образоваться корка тугоплавкого хлорида калия, под которой скопляется кислород, в результате чего происходит взрыв. В присутствии оксида марганца MnO2 бертолетова соль начинает разлагаться раньше, чем она расплавится (около 200 ºС).
2KClO3 t˚C , MnO2=2KCl 3O2↑
Это интересно
Кислород мало растворим в воде и тяжелее воздуха, поэтому его можно получать двумя способами:
- вытеснением воздуха (кислород будет собираться на дне сосуда)
ЦОРы
Познавательный фильм: “Кислород”
Видео: “Разложение пероксида водорода”
Видео: “Разложение перманганата калия”
Домашнее задание
- Параграф 22
- Стр. 75 упр. 4-6 (письменно)
Получение
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха.
Основным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация.
Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.
В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.
Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO4:
Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н2О2 в присутствии оксида марганца(IV):
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:
К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей, а также разложение оксида ртути(II) (при t = 100 °C):
На подводных лодках обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:
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).
Применение кислорода
Помимо того, что все живые существам в природе, за исключением немногих микроорганизмов, при дыхании потребляют кислород, он широко применяется во многих отраслях промышленности: металлургической, химической, машиностроении, авиации, ракетостроении и даже в медицине.
В химической промышленности его применяет:
В металлургии его используют:
В медицинских целях больным, у которых нарушена нормальная деятельность органов дыхания или кровообращения, искусственно увеличивают содержание O2 в воздухе или дают дышать непродолжительное время чистым O2. Медицинский кислород, выпускаемый ГОСТ 5583, особенно тщательно очищают от всех примесей.
Применение кислорода в сварке
Сам по себе O2 является негорючим газом, но из-за свойства активно поддерживать горение и увеличения интенсивности (интенсификации) горения газов и жидкого топлива его используют в ракетных энергетических установках и во всех процессах газопламенной обработки.
В таких процессах газопламенной обработки, как газовая сварка, поверхностная закалка высокая температура пламени достигается путем сжигания горючих газов в O2, а при газовой резке благодаря ему происходит окисление и сгорание разрезаемого металла.
При полуавтоматической сварке (MIG/MAG) кислород O2 используют как компонент защитных газовых смесей с аргоном (Ar) или углекислым газом (CO2).
Кислород добавляют в аргон при полуавтоматической сварке легированных сталей для обеспечения устойчивости горения дуги и струйного переноса расплавленного металла в сварочную ванну. Дело в том, что как поверхностно активный элемент он уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла, способствуя образованию на конце электрода более мелких капель.
При сварке низколегированных и низкоуглеродистых сталей полуавтоматом O2 добавляют в углекислый газ для обеспечения глубокого проплавления и хорошего формирования сварного шва, а также для уменьшения разбрызгивания.
Чаще всего кислород используют в газообразном виде, а в виде жидкости используют только при его хранении и транспортировке от завода-изготовителя до потребителей.
Примечания
- ↑Дикислород // Большая Энциклопедия Нефти Газа
- ↑J. Priestley, Experiments and Observations on Different Kinds of Air, 1776.
- ↑W. Ramsay, The Gases of the Atmosphere (the History of Their Discovery), Macmillan and Co, London, 1896.
- ↑ 4,04,14,2Inorganic Crystal Structure Database
- ↑Margaret-Jane Crawford и Thomas M. Klapötke The trifluorooxonium cation, OF3 // Journal of Fluorine Chemistry. — 1999. — Т. 99. — С. 151-156.
- ↑Curie P., Curie M. (1899). «Effets chimiques produits par les rayons de Becquerel«. Comptes rendus de l’Académie des Sciences129: 823-825.
- ↑Радиационная химия // Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд.. — М.: 1990. — С. 200.
- ↑Руководство для врачей скорой помощи / Михайлович В. А. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Медицина, 1990. — С. 28-33. — 544 с. — 120 000 экз. — ISBN 5-225-01503-4. (см. ISBN )
- ↑Food-Info.net : E-numbers : E948 : Oxygen.
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 вещества, именуемые по современной международной номенклатуреоксидами.
Ракетное топливо
В качестве окислителя для ракетноготоплива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения.
Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород-фтор и водород-фторид кислорода).
Медицинский кислород хранится в металлических газовых баллонах высокого давления (для сжатых или сжиженных газов) голубого цвета различной ёмкости от 1,2 до 10,0 литров под давлением до 15 МПа (150 атм) и используется для обогащения дыхательных газовых смесей в наркозной аппаратуре, при нарушении дыхания, для купирования приступа бронхиальной астмы, устранения гипоксии любого генеза, при декомпрессионной болезни, для лечения патологии желудочно-кишечного тракта в виде кислородных коктейлей.
Для индивидуального применения медицинским кислородом из баллонов заполняют специальные прорезиненные ёмкости — кислородные подушки.
Для подачи кислорода или кислородо-воздушной смеси одновременно одному или двум пострадавшим в полевых условиях или в условиях стационара применяются кислородные ингаляторы различных моделей и модификаций. Достоинством кислородного ингалятора является наличие конденсатора-увлажнителя газовой смеси, использующего влагу выдыхаемого воздуха.
Для расчёта оставшегося в баллоне количества кислорода в литрах обычно величину давления в баллоне в атмосферах (по манометруредуктора) умножают на величину ёмкости баллона в литрах.
В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавкиE948[9], как пропеллент и упаковочный газ.
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 О2– 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; tпл –218,3 °C, tкип –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), О2– – 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.
Соединения кислорода
Основные степени окисления кислород 2, 1, 0, -1 и -2.
Соединения кислорода:
| Степень окисления | Типичные соединения |
| 2 | Фторид кислорода OF2 |
| 1 | Пероксофторид кислорода O2F2 |
| -1 | Пероксид водорода H2O2 Пероксид натрия Na2O2 и др. |
| -2 | Вода H2O Оксиды металлов и неметаллов Na2O, SO2 и др. Кислородсодержащие кислоты Соли кислородсодержащих кислот Кислородсодержащие органические вещества Основания и амфотерные гидроксиды |
Способы получения кислорода
В основном кислород получают тремя способами:
Из атмосферного воздуха его получают методом глубокого охлаждения, как побочный продукт при получении азота.
Также O2 добывают путем пропускания электрического тока через воду (электролиз воды) с попутным получением водорода.
Химические способ получения малопроизводителен, а, следовательно, и неэкономичен, он не нашел широкого применения и используются в лабораторной практике.
Наверно многие помнят химический опыт, когда в колбе нагревают марганцовку (перманганат калия KMnO4), а потом выделяющийся в процессе нагрева газ собирают в другую колбу?
2KMnO4 = K2MnO4 MnO2 O2 ↑
Строение молекулы
Молекула кислорода состоит из двух атомов, химическая формула имеет вид О2. Как образуется молекула кислорода? Механизм ее образования ковалентный неполярный, другими словами за счет обобществления электроном каждого атома. Связь между молекулами кислорода также ковалентная и неполярная, при этом она двойная, ведь у каждого из атомов кислорода есть по два неспаренных электрона на внешнем уровне.
Так выглядит молекула кислорода, благодаря своим характеристикам она весьма устойчива. Для многих химических реакций с ее участием нужны специальные условия: нагревание, повышенное давление, применение катализаторов.
Токсические производные кислорода
Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие как синглетный кислород, пероксид водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются высокотоксичными продуктами.
Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.
Урок 11. кислород: получение, физические и химические свойства,применение. оксиды. круговорот кислорода в природе —
химия —
8 класс —
российская электронная школа
Конспект
Кислород: нахождение в природе, физические и химические свойства, получение и применение. Круговорот кислорода в природе
Кислород – самый распространённый химический элемент на Земле: около 47% массы земной коры составляют атомы кислорода, он входит в состав воды, песка, глины, известняка. Организм человека содержит 65% кислорода. Свободный кислород является частью атмосферы (20,95%). Молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода, его химическая формула O2.
Существует более пяти химических способов его получения в лаборатории, но в промышленности его получают физическим способом из сжиженного воздуха.
Кислород – это газ без цвета и запаха, при температуре −182,98 °C становится жидкостью бледно-голубого цвета. Кислород тяжелее воздуха, поэтому его мало в горах, он плохо растворим в воде.
Кислород – волшебное вещество. Его когда-то называли огненным воздухом, потому что другие вещества горят в кислороде. Кислород обеспечивает реакцию горения: тлеющая лучина вспыхивает в чистом кислороде, уголь горит красно-оранжевым пламенем (C O2 = CO2), сера – синим (S O2 = SO2, фосфор – светящимся пламенем вокруг которого образуются белые клубы дыма (4P 5O2 = 2P2O5), железо рассыпается яркими искрами (3Fe 2O2 = Fe3O4).
В кислороде горят не только простые, но и сложные вещества: в газовых плитах горит смесь пропана и бутана, ацетиленовые горелки используют для резки и сварки металлов, при получении металлов из руд некоторые руды подвергают обжигу.
C3H8 (пропан) 5O2 = 3CO2 4H2O
2С2Н2 (ацетилен) 5O2 = 4CO2 2H2O
2PbS (сульфид свинца) 3O2 = 2PbO 2SO2
Кислород это необходимое для нас вещество. Мы дышим кислородом на земле, в небе и под водой, когда мы больны, нам нужен чистый кислород, без кислорода мы не сможем полететь к звёздам и построить ракету.
Кислород расходуется и на окисление продуктов вулканической деятельности, огромное количество кислорода тратит человечество для своих нужд. А вот попадает в атмосферу в результате фотосинтеза, но число зелёных насаждений постепенно уменьшается, поэтому нужно бережно относиться к зелёным лёгким нашей планеты.
Физические свойства
В мировом океане содержание растворённого O2 больше в холодной воде, а меньше — в тёплой.
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/100 г при 0 °C, 2,09 мл/100 г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100 г при 25 °C).
Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при 961 °C).
Межатомное расстояние — 0,12074 нм. 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 (температура кипения −182,98 °C) — это бледно-голубая жидкость.
Твёрдый кислород (температура плавления −218,35°C) — синие кристаллы.
Известны 6 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 ячейкиa=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53°[4].
- 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°[4].
- γ-О2 — существует при температурах от 43,65 до 54,21 К; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решётки a=6,83 Å[4].
Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:
Фториды кислорода
Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.
В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O2 и O3 (озон).
Как установили в 1899 годуПьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, под воздействием ионизирующего излучения O2 переходит в O3[6][7].
Хранение и транспортировка кислорода
Кислород газообразный технический и медицинский выпускают по ГОСТ 5583.
Хранят и транспортируют его в стальных баллонах ГОСТ 949 под давлением 15 МПа. Кислородные баллоны окрашены в синий цвет с надписью черными буквами «КИСЛОРОД».
Жидкий кислород выпускается по ГОСТ 6331. O2 находится в жидком состоянии только при получении, хранении и транспортировке. Для газовой сварки или газовой резки его необходимо снова превратить в газообразное состояние.
Электронное строение кислорода
Электронная конфигурация кислорода в основном состоянии:
😯 1s22s22p4 1s 
2s 2s 2p
Атом кислорода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 2 неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии.