Шиманович 7 класс — практическая работа 4 (кислород)

Биологическая роль кислорода

Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом. 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.

В медицине

Основная статья: Кислородная терапия

Медицинский кислород хранится в металлических газовых баллонах высокого давления 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.

Крупные медицинские учреждения могут использовать не сжатый кислород в баллонах, а сжиженный в сосуде Дьюара большой ёмкости. 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 манометру редуктора) умножают на величину ёмкости баллона в литрах. Например, в баллоне вместимостью 2 литра манометр показывает давление кислорода 100 атм. Объём кислорода в этом случае равен 100 × 2 = 200 литров.

В металлургии

Конвертерный способ производства стали или переработки штейнов связан с применением кислорода. Во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха в горелках используют кислородно-воздушную смесь.

В пищевой промышленности

В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E948, как пропеллент и упаковочный газ.

В сельском хозяйстве

В тепличном хозяйстве, для изготовления кислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.

В химической промышленности

В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленных синтезах, например, — окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кислоты), диоксид серы в триоксид серы, аммиака в оксиды азота в производстве азотной кислоты. Вследствие высоких температур, развивающихся при окислении, последние часто проводят в режиме горения.

Вредность и опасность кислорода

За внешней безобидностью скрывается очень опасный газ, но об этом на нашем сайте опубликована статья про маслоопасность и взрывоопасность кислорода и мы не будем здесь дублировать информацию.

Изотопы

Основная статья: Изотопы кислорода

Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16O, 17O и 18O, 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 16O связано с тем, что ядро атома 16O 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 12O до 28O. Все радиоактивные изотопы кислорода имеют малый период полураспада, наиболее долгоживущий из них 15O с периодом полураспада ~120 секунд. Наиболее краткоживущий изотоп 12O имеет период полураспада 5,8⋅10−22 секунд.

История открытия

Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).

 2HgO →^ot  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 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 сожжённых 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 с помощью тлеющей лучинки распознать кислород и углекислый газ?

Кислород в баллоне

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

Для того, чтобы приблизительно узнать сколько кислорода в баллоне, нужно вместимость баллона (м3) умножить на давление (МПа). Например, если вместимость баллона 40 литров (0,04 м3), а давление газа 15 МПа, то объем кислорода в баллоне равен 0,04×15=6 м3.

Кислород в природе

Огромное количество газообразного кислорода содержится в атмосфере, растворено в водах морей и океанов. Кислород необходим всем живым организмам для дыхания. Без кислорода невозможно было бы получать энергию за счет сжигания различных видов топлива. На эти нужды ежегодно расходуется примерно 2% атмосферного кислорода.

Откуда берется кислород на Земле и почему его количество остается примерно постоянным, несмотря на такой расход? Единственным источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, производящие его под действием солнечного света в процессе фотосинтеза.

Это очень сложный процесс, включающий много стадий. В результате фотосинтеза в зеленых частях растений углекислый газ и вода превращаются в глюкозу C6H12O6 и кислород. Суммарноеуравнение реакций, протекающих в процессе фотосинтеза, можно представить следующим образом:

Установлено, что примерно одну десятую часть (11%) производимого зелеными растениями кислорода дают наземные растения, а остальные девять десятых (89%) — водные растения.

Кислород и его получение

Компонент ракетного топлива

В качестве окислителя для ракетного топлива 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).

Коэффициент перевода объема и массы o2 при т=15°с и р=0,1 мпа

Коэффициенты перевода объема и массы o2 при т=0°с и р=0,1 мпа

Нахождение в природе

Накопление O

₂

в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка.

1

. (3,85—2,45 млрд лет назад) — O

₂

не производился

2

. (2,45—1,85 млрд лет назад) O

₂

производился, но поглощался океаном и породами морского дна

3

. (1,85—0,85 млрд лет назад) O

₂

выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя

4

. (0,85—0,54 млрд лет назад) все горные породы на суше окислены, начинается накопление O

₂

в атмосфере

5

. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) современный период, содержание O

₂

в атмосфере стабилизировалось

Кислород — самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,82 % (по массе). Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород.

В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе (около 1015 тонн). Однако до появления первых фотосинтезирующих микробов в архее 3,5 млрд лет назад, в атмосфере его практически не было. Свободный кислород в больших количествах начал появляться в палеопротерозое (3—2,3 млрд лет назад) в результате глобального изменения состава атмосферы (кислородной катастрофы).

Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, сделав их доминирующими.

С начала кембрия 540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от 15 % до 30 % по объёму. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время.

Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. Около 60 % кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения, 80 % кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов.

Деятельность человека очень мало влияет на количество свободного кислорода в атмосфере. При нынешних темпах фотосинтеза понадобится около 2000 лет, чтобы восстановить весь кислород в атмосфере.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %.

В 2022 году датские учёные доказали, что свободный кислород входил в состав атмосферы уже 3,8 млрд лет назад.

Перегонка жидкого воздуха

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.

Положение в периодической системе химических элементов

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

Получение кислорода и азота из воздуха

Огромные запасы кислорода в атмосфере позволяют получать и использовать его в различных производствах. В промышленных условиях кислород, азот и некоторые другие газы (аргон, неон) получают из воздуха.

Для этого воздух сначала превращают в жидкость (рис. 79) путем охлаждения до такой низкой температуры, при которой все его компоненты переходят в жидкое агрегатное состояние.

Затем эту жидкость медленно нагревают, в результате чего при разных температурах происходит последовательное выкипание (т. е. переход в газообразное состояние) веществ, которые содержатся в воздухе. Собирая выкипающие при разных температурах газы, по отдельности получают азот, кислород и другие вещества.

Краткие выводы урока:

1. В лабораторных условиях кислород получают разложением некоторых сложных веществ, в состав которых входят атомы кислорода.
2. Катализатор — вещество, которое ускоряет протекание химической реакции, но само при этом не расходуется.
3. Источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, в которых протекает процесс фотосинтеза.
4. В промышленности кислород получают из воздуха.

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.

Применение]

Широкое промышленное применение кислорода началось в середине XX века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.

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. oxygene), 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 номенклатуре оксидами.

Разложение кислородсодержащих веществ

Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO4:

 2KMnO₄ → K2MnO₄ MnO₂ O₂↑

Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода H2O2 в присутствии оксида марганца (IV):

 2H₂O₂ →^MnO₂   2H₂O O₂↑

Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:

 2KClO₃ → 2KCl 3O₂↑

Разложение оксида ртути (II) (при t = 100 °C) было первым методом синтеза кислорода:

 2HgO →^100oC   2Hg O₂↑

Реакция перекисных соединений с углекислым газом

На подводных лодках и орбитальных станциях обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:

 2Na₂O₂ 2CO₂ → 2Na₂CO₃ O₂↑

Для соблюдения баланса объёмов поглощённого углекислого газа и выделившегося кислорода, к нему добавляют надпероксид калия. В космических кораблях для уменьшения веса иногда используется пероксид лития.

Сварка и резка металлов

Кислород в баллонах голубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.

Соединения кислорода

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

Соединения кислорода:

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 ↑

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.

Токсичность кислорода

Длительное вдыхание чистого кислорода может иметь опасные последствия для организма. Безопасно длительно дышать при обычном давлении смесями, содержащими до 60 % кислорода. Дыхание 90 % кислородом в течение 3 суток приводит к тахикардии, рвоте, пневмонии, судорогам.

Физические свойства

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). Хорошо растворяется в перфторированных углеводородах (20-40 об/об %).

Межатомное расстояние — 0,12074 нм. Является парамагнетиком. В жидком виде притягивается магнитом.

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-O₂ — существует при температуре ниже 23,65 K; 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-O₂ — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 K; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å, α=46,25°.
• γ-O₂ — существует при температурах от 43,65 до 54,21 K; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решётки a=6,83 Å.

Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:

Фториды кислорода

 2F₂ 2NaOH → 2NaF H₂O OF₂↑

 F₂ O₂ → O₂F₂

Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.

В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O2 и O3 (озон). Как установили в 1899 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, под воздействием ионизирующего излучения O2 переходит в O3.

Характеристики кислорода

Характеристики O2 представлены в таблицах ниже:

Химические свойства

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

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

1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:

O2   2F2  →  2OF2

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

1.2. Кислород реагирует с серой и кремниемс образованием оксидов:

S O2 → SO2

  Si O2 → SiO2

1.3.Фосфоргорит в кислороде с образованием оксидов:

При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):

4P      3O2  →   2P2O3

Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):

4P      5O2  →   2P2O5

1.4.С азотомкислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000оС), образуя оксид азота (II):

    N2  O2→  2NO

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

2Ca       O2 → 2CaO

Однако при горении натрияв кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

    2Na O2→  Na2O2

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

    K O2→  KO2

Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

2Zn O2→  2ZnO

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

2Fe O2→  2FeO

4Fe 3O2→  2Fe2O3

3Fe 2O2→  Fe3O4

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

C     O2  →  CO2

 при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C     O2  →  2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:

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

4FeS 7O2→  2Fe2O3 4SO2

Al4C3 6O2→  2Al2O3 3CO2

Ca3P2 4O2→  3CaO P2O5

2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

• летучие водородные соединения (сероводород, аммиак, метан, силан гидриды. При этом также образуются оксиды: 

2H2S 3O2→  2H2O 2SO2

Аммиакгорит с образованием простого вещества, азота:

4NH3 3O2→  2N2 6H2O

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

4NH3 5O2→  4NO 6H2O

• прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора (сероуглерод, сульфид фосфора и др.):

CS2 3O2→  CO2 2SO2

• некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления (оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):

2CO O2→  2CO2

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

Например, кислород окисляет гидроксид железа (II):

4Fe(OH)2 O2 2H2O → 4Fe(OH)3

Кислород окисляет азотистую кислоту:

2HNO2 O2 → 2HNO3

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

CH4 2O2→  CO2 2H2O

2CH4 3O2→  2CO 4H2O

CH4 O2→  C  2H2O

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

2CH2=CH2 O2 → 2CH3-CH=O

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.

Шиманович 7 класс — практическая работа 4 (кислород)

Электролиз водных растворов

К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза разбавленных водных растворов щелочей, кислот и некоторых солей (сульфатов, нитратов щелочных металлов):

 2H₂O →^e− 2H₂ O₂↑

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.