SO4, степень окисления серы и кислорода в сульфат-ионе

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.

Валентные возможности атома азота

Запишем электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома азота:

Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH3), азотистой кислоты (HNO2), треххлористого азота (NCl3) и т.д.

Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар. Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но  также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор( 

Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.

Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии.

Атом азота не имеет d-подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей. Многие  могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO3 или оксида азота N2O5? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:

Пунктирной линией на иллюстрации изображена так называемая делокализованнаяπ-связь. По этой причине концевые связи NO можно назвать «полуторными». Аналогичные полуторные связи имеются также в молекуле озона O3, бензола C6H6 и т.д.

em>Резюмируя информацию по валентным возможностям атома азота:

1) Для азота возможны валентности I, II, III и IV

2) Валентности V у азота не бывает!

3) В молекулах азотной кислоты и оксида азота N2O5 азот имеет валентность IV, а степень окисления 5 (!).

4) В соединениях, в которых атом азота четырехвалентен, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму (соли аммония NH4 , азотная кислота и д.р).

Валентные возможности атома кислорода

Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня атома кислорода имеет вид:

Мы видим на 2-м уровне два неспаренных электрона, в связи с чем для кислорода возможна валентность II. Следует отметить, что данная валентность атома кислорода наблюдается практически во всех соединениях. Выше при рассмотрении валентных возможностей атома углерода мы обсудили образование молекулы угарного газа. Связь в молекуле CO тройная, следовательно, кислород там трехвалентен (кислород — донор электронной пары).

Из-за того что атом кислорода не имеет на внешнем уровне d-подуровня, распаривание электронов s и p-орбиталей невозможно, из-за чего валентные возможности атома кислорода ограничены по сравнению с другими элементами его подгруппы, например, серой.

Таким образом, кислород практически всегда имеет валентность, равную II, однако в некоторых частицах он трехвалентен, в частности, в молекуле угарного газа C≡O. В случае, когда кислород имеет валентность III, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму.

Валентные возможности атома серы

Внешний энергетический уровень атома серы в невозбужденном состоянии:

У атома серы, как и у атома кислорода, в обычном состоянии два неспаренных электрона, поэтому мы можем сделать вывод о том, что для серы возможна валентность, равная двум. И действительно, валентность II сера имеет, например, в молекуле сероводорода  H2S.

Как мы видим, у атома серы на внешнем уровне появляется d-подуровень с вакантными орбиталями. По этой причине атом серы способен расширять свои валентные возможности в отличие от кислорода за счет перехода в возбужденные состояния. Так, при распаривании неподеленной электронной пары 3p-подуровня атом серы приобретает электронную конфигурацию внешнего уровня следующего вида:

В таком состоянии атом серы имеет 4 неспаренных электрона, что говорит нам о возможности проявления атомами серы валентности, равной IV. Действительно, валентность IV сера имеет в молекулах SO2, SF4, SOCl2 и т.д.

При распаривании второй неподеленной электронной пары, расположенной на 3s-подуровне, внешний энергетический уровень приобретает конфигурацию:

В таком состоянии уже становится возможным проявление валентности VI. Примером соединений с VI-валентной серой являются SO3, H2SO4, SO2Cl2 и т.д.

Аналогично можно рассмотреть валентные возможности остальных химических элементов.

Валентные возможности атома углерода

Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:

Т.е. в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне невозбужденного атома углерода находится 2 неспаренных электрона. В таком состоянии он может проявлять валентность, равную II. Однако атом углерода очень легко переходит в возбужденное состояние при сообщении ему энергии, и электронная конфигурация внешнего слоя в этом случае принимает вид:

Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей. По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.

Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных ( 

Резюмируя информацию по валентным возможностям атома углерода:

1) Для углерода возможны валентности II, III, IV

2) Наиболее распространенная валентность углерода в соединениях IV

3) В молекуле угарного газа CO связь тройная (!), при этом одна из трех связей образована по донорно-акцепторному механизму

Давайте порассуждаем вместе

1. Атом азота в азотной кислоте имеет степень окисления:

1) 0

2) 3

3) 5

4) -5

Ответ: Формула азотной кислоты HNO3, степень окисления водорода равна 1, кислорода -2, степень окисления азота обозначим за х и рассчитаем ее по уравнению: 1 х 3* (-2) = 0

х = 5

2. Степень окисления -2 атом серы проявляет в каждом из соединений

1) CuSO₄ и H₂S

2) SO₂ и Na₂S

3) H₂SO₃ и SO₃

4) CaS и FeS

Ответ: степень окисления -2 атом серы проявляет в бинарных соединениях с металлами (сульфидах) и водородом (H₂S), поэтому правильный ответ CaS и FeS

3. Максимально возможную степень окисления атом хлора проявляет в соединении

1) HCl

2) HClO₃

3) KClO₄

4) Ba(ClO₂)₂

Ответ: атом хлора расположен в 7 группе, поэтому может иметь максимальную степень окисления 7. Такую степень окисления атом хлора проявляет в веществе KClO₄. Проверим это. У калия степень окисления 1, у кислорода -2, у хлора х. Из уравнения: 1 х 4* (-2) = 0 находим х = 7

4. В соединениях NO2 и NH3 степени окисления азота соответственно равны:

1) 4 и -3

2) 2 и 3

3) 2 и -2

4) 5 и 3

Ответ: В оксиде азота (IV) у кислорода степень окисления -2, значит у азота степень окисления 4. В аммиаке у водорода степень окисления 1, значит у азота степень окисления -3.

5. Установите соответствие между схемами превращения веществ и изменением степени окисления хлора

Ответ:

В молекуле хлора Cl2 степень окисления хлора равна 0

В молекуле ClF3 у фтора степень окисления -1, значит у хлора 3

В молекуле ICl3 у хлора степень окисления -1

В молекуле ClO2 у кислорода степень окисления -2, значит у хлора 4

В молекуле HCl у водорода 1, а у хлора -1

6. Установите соответствие между схемами превращения веществ и изменением степени окисления серы

Ответ:

В молекуле сероводорода у водорода степень окисления 1, а у серы -2

В молекуле SO2 у кислорода степень окисления -2, а у серы 4

В молекуле сернистой кислоты у водорода степень окисления 1, у кислорода -2, значит у серы 4

В молекуле серной кислоты у водорода степень окисления 1, у кислорода -2, значит у серы 6

7. Установите соответствие между схемами превращения веществ и изменением степени окисления азота

Ответ:

В молекуле NO степень окисления у кислорода равна -2, а у азота 2

В молекуле азота N2 степень окисления азота равна 0

В молекуле NO2 степень окисления азота равна 4

В молекуле N2H4 степень окисления азота равна -2

8. В каких реакциях железо выступает в роли восстановителя?

1) Fe S = FeS

2) 2FeCl₃ H₂ = 2FeCl₂ 2HCl

3) 2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ 3H₂O

4) 3Fe 2O₂ = Fe₃O₄

5) 2FeCl₂ Cl₂ = 2FeCl₃

Ответ: 1, 4, 5 , т.к. в этих реакциях железо отдает электроны и повышает свою степень окисления.

9. В каких реакциях сера не изменяет степень окисления?

1) Cu S = CuS

2) 2HCl Na₂SO₃ = 2NaCl SO₂ H₂O

3) Cu 2H₂SO₄ = CuSO₄ SO₂ 2H₂O

4) SO₂ H₂O = H₂SO₃

5) SO₂ 2H₂ = S 2H₂O

Ответ: 2, 4, т.к. в этих реакциях сера не изменяет свою степень окисления.

10. В каком соединении фосфор проявляет степень окисления -3

1) P₂O₃

2) Na₃PO₄

3)Ca₃P₂

4) PCl₃

Ответ: степень окисления -3 фосфор проявляет в бинарных соединениях с металлами, значит в фосфиде кальция Ca3P2 у кальцая степень окисления 2, а у фосфора -3.

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.

Кислород – мощный окислитель, без которого невозможно существование

Выше было много написано о том, какой кислород проявляет степень окисления при взаимодействии с различными соединениями и элементами, какие типы кислородных соединений существуют, какие типы опасны для жизни, а какие нет. Одно может остаться неясным: каким образом кислород при всей его токсичности и высокой степени окисления является одним из элементов, без которого невозможна жизнь на Земле?

Дело в том, что наша планета представляет собой очень уравновешенный организм, который адаптировался именно к тем веществам, которые содержатся в атмосферном слое. Он участвует в цикле, который выглядит следующим образом: люди и все другие животные потребляют кислород и производят углекислый газ, в то время как растения в подавляющем большинстве потребляют углекислый газ и производят кислород.

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.

Общие сведения о сульфат-ионе и степени окисления в so4

Поэтому соли серной кислоты носят название – сульфаты, например, Na2SO4– сульфат натрия, CaSO4– сульфат кальция, K2SO4 – сульфат калия и т.д.

Сульфат ион имеет строение, представленное на рис. 1.

Существуют реактивы, добавление которых позволяет обнаружить сульфат-ион в растворе (качественная реакция на сульфат-ион). Это растворимые соли бария. В результате наличия сульфат-ионов в растворе будет наблюдаться выпадение кристаллического осадка белого цвета нерастворимого в азотной кислоте. Например:

Na2SO4 Ba(NO3)2 = BaSO4↓ 2NaNO3;

2Na SO42- Ba2 2NO3— = BaSO4↓ 2Na 2NO3—;

SO42- Ba2 = BaSO4↓.

Озон и его соединения

Озон — это молекула, в которой три атома кислорода связаны вместе. Обычно это голубой газ. После охлаждения он образует темно-синюю жидкость, близкую к индиго. В твердом состоянии это кристаллы темно-синего цвета. Озон имеет резкий запах, в природе его можно почувствовать в воздухе после сильной бури.

Озон, как и обычный кислород, является очень сильным окислителем. По химическим свойствам он близок к сильным кислотам. Под воздействием оксидов озон увеличивает степень их окисления с выделением кислорода. Но при этом степень окисления кислорода снижается.

В озоне химические связи не такие сильные, как в O2, поэтому в нормальных условиях, без приложения усилий, он может разлагаться на кислород с выделением тепловой энергии. При повышении температуры воздействия на молекулу озона и понижении давления процесс разложения на двухатомный кислород с выделением тепла ускоряется. Также при большом содержании озона в космосе этот процесс может сопровождаться взрывом.

Поскольку озон является очень сильным окислителем и практически во всех процессах с его участием выделяется большое количество O2, озон является чрезвычайно токсичным веществом. Однако в верхних слоях атмосферы озоновый слой действует как отражатель ультрафиолетового излучения солнечных лучей.

Органические и неорганические озониды создаются из озона с помощью лабораторных инструментов. Эти вещества очень нестабильны по своей структуре, поэтому их создание в естественных условиях невозможно. Озониды хранятся только при низких температурах, так как при обычных температурах они чрезвычайно взрывоопасны и токсичны.

Пероксиды, степень окисления кислорода в пероксиде водорода и других соединениях

Пероксиды — это соединения кислорода с щелочными металлами. Их получают путем сжигания этих металлов в кислороде. Органические пероксиды чрезвычайно взрывоопасны. Их также можно получить абсорбцией из оксидов кислорода. Примеры пероксидов:

• перекись водорода (H2O2);
• перекись натрия (Na2O2).
• пероксид бария (BaO2);

Все они объединены тем, что содержат кислородную группу -OO-. Следовательно, степень окисления кислорода в пероксидах равна -1.

Другие типы пероксидов:

• супероксиды (супероксиды, в которых кислород окислен -1/2);
• органические озониды (соединения, имеющие в своей структуре связь -OOO-).
• неорганические озониды (крайне нестабильные соединения, содержащие в своей структуре анион озона);

Применение кислорода и его соединений в промышленности

В связи с тем, что ученые однажды узнали, какова степень окисления кислорода при взаимодействии с другими элементами, он и его соединения широко используются в промышленности. Особенно после изобретения турбодетандеров в середине двадцатого века, устройств, способных преобразовывать потенциальную энергию кислорода в механическую энергию.

В химической промышленности кислород используется в качестве окислителя углеводородов в кислотосодержащих соединениях, таких как спирты, кислоты и т.д. В медицине он используется при пониженном давлении для лечения пациентов с проблемами легких, чтобы поддерживать жизненно важные функции организма.

Природные соединения

• FeS₂ — пирит, колчедан
• ZnS — цинковая обманка
• PbS — свинцовый блеск (галенит), Sb₂S₃ — сурьмяный блеск, Bi₂S₃ — висмутовый блеск
• HgS — киноварь
• CuFeS₂ — халькопирит
• Cu₂S — халькозин
• CuS — ковеллин
• BaSO₄ — барит, тяжелый шпат
• CaSO₄ — гипс

В местах вулканической активности встречаются залежи самородной серы.

Получение

В промышленности серу получают из природного газа, который содержит газообразные соединения серы: H2S,
SO2.

H2S O2 = S H2O (недостаток кислорода)

SO2 C = (t) S CO2

Серу можно получить разложением пирита

FeS2 = (t) FeS S

В лабораторных условиях серу можно получить слив растворы двух кислот: серной и сероводородной.

H2S H2SO4 = S H2O (здесь может также выделяться SO2)

Химические свойства

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↑

Способы получения

В лаборатории азотную кислоту можно получить разными способами:

1. Азотная кислота  образуется при действии концентрированной серной кислоты на твердые нитраты металлов. При этом менее летучая серная кислота вытесняет более летучую азотную.

Например, концентрированная серная кислота вытесняет азотную из кристаллического нитрата калия:

KNO3       H2SO4(конц)    →    KHSO4       HNO3

2.В промышленности азотную кислоту получают из аммиака. Процесс осуществляется постадийно.

1 стадия. Каталитическое окисление аммиака.

4NH3        5O2    →    4NO     6H2O

2 стадия. Окисление оксида азота (II)  до оксида азота (IV) кислородом воздуха.

2NO      O2   →    2NO2

3 стадия. Поглощение оксида азота (IV) водой в присутствии избытка кислорода.

4NO2      2H2O     O2   →  4HNO3

Степени окисления элементов — урок. химия, 8 класс.

Степень окисления

Степенью окисления (СО) называют условный показатель, который характеризует заряд атома в соединении и его поведение в ОВР (окислительно-восстановительной
реакции). В простых веществах СО всегда равна нулю, в сложных — ее определяют исходя из постоянных степеней окисления у некоторых элементов.

Численно степень окисления равна условному заряду, который можно приписать атому, руководствуясь предположением, что все электроны,
образующие связи, перешли к более электроотрицательному элементу.

Определяя степень окисления, одним элементам мы приписываем условный заряд » «, а другим «-«. Это связано с электроотрицательностью —
способностью атома притягивать к себе электроны. Знак » » означает недостаток электронов, а «-» — их избыток. Повторюсь, СО — условное
понятие.

Сумма всех степеней окисления в молекуле равна нулю — это важно помнить для самопроверки.

Кто более электроотрицательный, тот сильнее притягивает к себе электроны и «уходит в минус». Кто отдает свои электроны и испытывает их недостаток —
получает знак » «.

Самостоятельно определите степени окисления атомов в следующих веществах: RbOH, NaCl, BaO, NaClO3, SO2Cl2,
KMnO4, Li2SO3, O2, NaH2PO4. Ниже вы найдете решение этой задачи.

Сравнивайте значение электроотрицательности по таблице Менделеева, и, конечно, пользуйтесь интуицией 🙂 Однако по мере изучения химии, точное знание
степеней окисления должно заменить даже самую развитую интуицию 😉

Особо хочу выделить тему ионов. Ион — атом, или группа атомов, которые за счет потери или приобретения одного или нескольких
электронов приобрел(и) положительный или отрицательный заряд.

Определяя СО атомов в ионе, не следует стремиться привести общий заряд иона к «0», как в молекуле. Ионы даны в таблице растворимости, они имеют
разные заряды — к такому заряду и нужно в сумме привести ион. Объясню на примере.

Строение молекулы и физические свойства

Азотная кислота HNO3 – это сильная одноосновная кислота-гидроксид. При обычных условиях бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения 82,6 °C ( при нормальном атмосферном давлении). Азотная кислота смешивается с водой во всех соотношениях. На свету частично разлагается.

Валентностьазота в азотной кислоте равна IV, так как валентность V у азота отсутствует. При этом степень окисления атома азота равна 5. Так происходит потому, что атом азота образует 3 обменные связи и одну донорно-акцепторную, является донором электронной пары.

Поэтому строение молекулы азотной кислоты можно описать резонансными структурами:

Обозначим дополнительные связи между азотом и кислородом пунктиром. Этот пунктир по сути обозначает делокализованные электроны. Получается формула:

Таблица степеней окисления химических элементов (1 часть):

Таблица степеней окисления химических элементов (2 часть):

Таблица степеней окисления химических элементов (3 часть):

Коэффициент востребованности 2 902

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, степень окисления кислорода в of2

Фтор — самый активный элемент, известный сегодня. Поэтому при взаимодействии кислорода с фтором получаются не оксиды, а фториды. Названы они так потому, что в этом соединении окислителем является не кислород, а фтор. Фториды не могут быть получены естественным путем. Их только синтезируют, экстрагируют путем ассоциации фтора с водным раствором КОН. Фториды кислорода делятся на:

• дифторид кислорода (OF2);
• монофторид кислорода (O2F2).

Давайте подробнее рассмотрим каждое из соединений. Дифторид кислорода по своей структуре представляет собой бесцветный газ с ярко выраженным неприятным запахом. По мере охлаждения он конденсируется в желтоватую жидкость. В жидком состоянии плохо смешивается с водой, но хорошо сочетается с воздухом, фтором и озоном.

По химическим свойствам дифторид кислорода является очень сильным окислителем. Степень окисления кислорода в OF2 равна 1, то есть в этом соединении фтор является окислителем, а кислород — восстановителем. OF2 очень токсичен, по токсичности превосходит чистый фтор и приближается к фосгену. Основное применение этого соединения — окислитель ракетного топлива, поскольку дифторид кислорода не взрывоопасен.

Монофторид кислорода обычно представляет собой твердое вещество желтоватого цвета. При растворении образует красную жидкость. Это мощный окислитель, чрезвычайно взрывоопасный при взаимодействии с органическими соединениями. В этом соединении кислород показывает степени окисления, равные 2, то есть в этом соединении фтора кислород действует как восстановитель, а фтор как окислитель.

Химические свойства

Азотная кислота – это сильная кислота. За счет азота со степенью окисления 5 азотная кислота проявляет сильные окислительные свойства.

1. Азотная кислота практически полностью диссоциируетв водном растворе.

 HNO3 → H NO3–

2. Азотная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами. 

Например, азотная кислота взаимодействует с оксидом меди (II):

CuO     2HNO3   →   Cu(NO3)2     H2O

Еще пример: азотная кислота реагирует с гидроксидом натрия:

HNO3      NaOH   →   NaNO3     H2O

3. Азотная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов, сульфитов). 

Например, азотная кислота взаимодействует с карбонатом натрия:

2HNO3     Na2CO3   →  2NaNO3     H2O     CO2

4. Азотная кислота частично разлагается при кипении или под действием света:

4HNO3  →   4NO2      O2      2H2O

5.Азотная кислота активно взаимодействует с металлами. При этом  никогда не выделяется водород! При взаимодействии азотной кислоты с металлами окислителем всегда выступает азот 5.

металл HNO3 → нитрат металла вода газ (или соль аммония)

С алюминием, хромом и железомна холодуконцентрированная HNO3  не реагирует – кислота «пассивирует» металлы, т.к. на их поверхности образуется пленка оксидов, непроницаемая для концентрированной азотной кислоты. При нагревании реакция идет. При этом азот восстанавливается до степени окисления 4:

Fe       6HNO3(конц.)  →   Fe(NO3)3      3NO2     3H2O

 Al      6HNO3(конц.)   →  Al(NO3)3      3NO2     3H2O

Золото и платина не реагируют с азотной кислотой, но растворяются в «царской водке» – смеси концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1 :  3 (по объему):

HNO3         3HCl      Au   →   AuCl3      NO      2H2O

Концентрированная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (IV), азот восстанавливается минимально:

4HNO3(конц.)        Cu   →    Cu(NO3)2        2NO2      2H2O

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными) концентрированная азотная кислота реагирует с образованием оксида азота (I):

10HNO3          4Ca   →    4Ca(NO3)2        N2O      5H2O

Разбавленная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (II).

8HNO3 (разб.)          3Cu   →    3Cu(NO3)2        2NO      4H2O

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными), а также оловоми железом разбавленная азотная кислота реагирует с образованием молекулярного азота:

12HNO3(разб)        10Na   →    10NaNO3       N2       6H2O

При взаимодействии кальцияи магнияс азотной кислотой любой концентрации (кроме очень разбавленной) образуется оксид азота (I):

10HNO3          4Ca    →   4Ca(NO3)2        2N2O      5H2O

Очень разбавленная азотная кислота реагирует с металлами с образованием нитрата аммония:

10HNO3            4Zn   →    4Zn(NO3)2        NH4NO3      3H2O

Таблица. Взаимодействие азотной кислоты с металлами.

6. Азотная кислота окисляет и неметаллы (кроме кислорода, водорода, хлора, фтора и некоторых других). При взаимодействии с неметаллами HNO3  обычно восстанавливается до NO  или NO2, неметаллы окисляются до соответствующих кислот, либо оксидов (если кислота неустойчива).

Например, азотная кислота окисляет серу, фосфор, углерод, йод:

6HNO3           S     →   H2SO4      6NO2        2H2O

Безводная азотная кислота – сильный окислитель. Поэтому она легко взаимодействует с красным и белым фосфором. Реакция с белым фосфором протекает очень бурно. Иногда она сопровождается взрывом.

5HNO3          P   →    H3PO4        5NO2        H2O

5HNO3          3P         2H2O   →    3H3PO4        5NO

Видеоопытвзаимодействия фосфора с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

4HNO3         C   →   CO2        4NO2        2H2O

Видеоопытвзаимодействия угля с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

10HNO3      I2  →   2HIO3      10NO2       4H2O

7. Концентрированная азотная кислота окисляет сложные вещества (в которых есть элементы в отрицательной, либо промежуточной степени окисления): сульфиды металлов, сероводород, фосфиды, йодиды, соединения железа (II) и др.

Например, азотная кислота окисляет оксид серы (IV):

2HNO3        SO2  →   H2SO4        2NO2

Еще пример: азотная кислота окисляет иодоводород:

6HNO3      HI   →  HIO3      6NO2      3H2O

Сера в степени окисления -2 окисляется без нагревания до простого вещества, при нагревании до серной кислоты. 

Например, сероводород окисляется азотной кислотой без нагревания до молекулярной серы:

2HNO3        H2S     →  S        2NO2      2H2O

При нагревании до серной кислоты:

2HNO3        H2S     →  H2SO4         2NO2      2H2O

8HNO3         CuS   →   CuSO4       8NO2       4H2O

Соединения железа (II) азотная кислота окисляет до соединений железа (III):

4HNO3         FeS   →   Fe(NO3)3     NO       S       2H2O

8. Азотная кислота окрашивает белкив оранжево-желтый цвет («ксантопротеиновая реакция«).

Ксантопротеиновую реакцию проводят для обнаружения белков, содержащих в своем составе ароматические аминокислоты. К раствору белка прибавляем концентрированную азотную кислоту. Белок свертывается. При нагревании белок желтеет. При добавлении избытка аммиака окраска переходит в оранжевую.

Видеоопыт обнаружения белков с помощью азотной кислоты можно посмотреть здесь.

Химические свойства кислорода

О химических свойствах кислорода можно написать целый талмуд. Важнейшее свойство кислорода — окисление. Это вещество — очень сильный окислитель. Кислород способен взаимодействовать практически со всеми известными элементами таблицы Менделеева. В результате этого взаимодействия образуются оксиды, о которых говорилось выше. Степень окисления кислорода в соединениях с другими элементами обычно составляет -2. Примером таких соединений является вода (H2O), диоксид углерода (CO2), оксид кальция, оксид лития и т.д. Но есть определенная категория оксидов, называемых пероксидами или пероксидами. Их характеристика состоит в том, что эти соединения имеют пероксидную группу «-OO-». Эта группа снижает окислительные свойства O2, поэтому степень окисления кислорода в пероксиде равна -1.

В сочетании с активными щелочными металлами кислород образует супероксиды или суперпероксиды. Пример таких образований:

• супероксид калия (KO2);
• супероксид рубидия (RbO2).

Их характеристика состоит в том, что степень окисления кислорода в супероксидах составляет -1/2.

В сочетании с наиболее активным химическим элементом фтором получаются фториды. О них речь пойдет ниже.