Агрегатное состояние
Неметаллы при обычных условиях могут быть газообразными, жидкими и твёрдыми веществами.
Кислород O2, озон O3, азот N2, водород H2, фтор F2, хлор Cl2, иод I2, белый фосфор P4, кристаллическая сера S8 и инертные газы (гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn) — это всё газообразные вещества, кристаллы которых состоят из отдельных молекул (а в случае инертных газов — из отдельных атомов как бы выполняющих роль молекул).
При комнатной температуре бром – жидкость.
Остальные неметаллические химические элементы при обычных условиях находятся в твёрдом агрегатном состоянии. Твёрдыми являются все аллотропные модификации углерода C, кристаллическая сера S8, фосфор красный и фосфор белый P4, кристаллический иод I2, мышьяк As, кремний Si, бор B, кристаллическая сера S8, йод I2 и др.
Модель молекулы серы (слева) и кристалл серы. Кристалл серы состоит из отдельных молекул S8.
Цвет и блеск
Если для подавляющего большинства металлов характерен серебристо-серый или серебристо-белый цвет, то окраска неметаллов очень разнообразна. Белый цвет имеет белый фосфор, красный − красный фосфор, жёлтый − сера и фтор, красно-бурый − жидкий бром, жёлто-зелёный − хлор, фиолетовый цвет имеют пары иода, синий − жидкий кислород, серый − графит и кремний. Бесцветным является алмаз, окраски не имеют также инертные газы, азот, кислород и водород. Причем в подгруппах сверху вниз окраска усиливается: фтор − светло-зеленый газ, хлор − желто-зеленый газ, бром − красно-бурая жидкость, йод − темно-фиолетовые кристаллы.
Большинство неметаллов не обладают металлическим блеском и не отражают свет. Блеском, несколько напоминающий блеск металлов, обладают активированный уголь, кристаллический йод и кремний и графит (т.е. это говорит об относительности деления элементов и простых веществ на металлы и неметаллы не только элементов, но и простых веществ).
Запах
Некоторые неметаллы имеют запах. Например, резкий удушливый запах имеет озон O3, фтор F2 (при попадании в органы дыхания практически моментально разрушает ткани), хлор Cl2, бром Br2 и иод I2.
Пластичность
Неметаллы в твёрдом агрегатном состоянии очень хрупкие, не обладают пластичностью и практически не присуще изгибание, ковкость и любые другие деформации − любая деформация вызывает разрушение ковалентных связей.
Безопасность при обращении с жидкими криогенными продуктами | техногаз-сервис
Жидкие криогенные продукты (жидкие кислород, азот и аргон) имеют очень низкую температуру кипения (при атмосферном давлении около 90 К и ниже), что обуславливает основные опасности при их применении. Во-первых, это физиологическая опасность при работе на криогенном оборудовании и с жидкими и газообразными криогенными продуктами (возможность обмораживания). Человеческое тело в основном состоит из воды. При низких температурах вода замерзает и образующийся лед повреждает и разрушает биологические ткани. Поэтому, когда поверхность тела соприкасается с криогенными жидкостями и газами, находящимися при криогенных температурах, а также с охлажденными поверхностями (особенно металлическими), происходят так называемые «холодные ожоги». Поражение тела очень напоминает ожог, степень которого зависит от времени контакта с охлажденными предметами или криогенными жидкостями и ряда других факторов. Недостаточно защищенные части тела при соприкосновении с неизолированными поверхностями, охлажденными до криогенных температур, могут быстро к ним примерзнуть, а при отдергивании возможно значительное повреждение кожного покрова. Весьма опасна работа с криогенными продуктами во влажных одежде или рукавицах, так как это может привести к обмораживанию. Особую чувствительность к низким температурам имеют слизистые оболочки глаз, носа, полости рта и гортани. Поэтому очень опасно вдыхание холодного воздуха, что может привести к серьезным заболеваниям легких. Первый признак обмораживания — потеря чувствительности, сопровождающаяся обычно изменением цвета обмороженных участков тела до восковидного и бледно-желтого. После оттаивания обмороженное место становится очень болезненным, на коже появляются пузыри, весьма подверженные инфекции.
Работа при криогенных температурах требует особого внимания к конструкционным материалам, так как в таких условиях у многих из них существенно изменяются физико-механические свойства. Для широко применяемых конструкционных материалов при понижении температуры такие характеристики, как временное сопротивление, предел текучести, предел усталости, как правило, повышаются, но понижаются показатели пластичности и, что самое важное, ударная вязкость. В результате у многих металлических материалов при низких температурах появляется склонность к хрупкому разрушению (разрушению без заметной макропластической деформации, явление хладо-ломкости). К таким материалам относятся углеродистые и низколегированные стали. При этом ударная вязкость понижается настолько, что применение стали этой группы при температурах ниже 230 К недопустимо.
Криогенные жидкости хранятся и транспортируются в специальных сосудах с качественной теплоизоляцией (порошково-вакуумной или экранно-вакуумной). О том, для какого криогенного продукта предназначен сосуд, свидетельствуют окраска сосуда и надпись на нем. При необходимости их применения для другого криогенного продукта выполняются специальные, оговоренные в технической документации изготовителя мероприятия, включающие, например, при переходе с азота на кислород обезжиривание внутренних полостей и испарителя.
Учитывая, что при хранении жидких криогенных продуктов в сосудах происходит их постоянное испарение, надо принимать меры, исключающие возможность возрастания давления в сосуде. С этой целью сосуды должны быть оснащены предохранительными клапанами или предохранительными мембранами. При их отсутствии выход газа из сосуда должен быть постоянно открыт.
Недопустимо быстрое нагревание жидких криогенных продуктов в сосудах с узкой горловиной. Работать с жидкими криогенными продуктами следует очень осторожно, не допуская их разбрызгивания и вскипания. Персонал, проводящий такие работы, должен быть одет в чистую спецодежду, в которой отсутствуют наружные карманы, иметь очки и рукавицы, брюки должны быть одеты поверх обуви. Попадание случайных предметов в ванны и сосуды с жидкими криогенными продуктами должно быть полностью исключено. Заполнять сосуды жидким криогенным продуктом следует осторожно, не допуская интенсивного вскипания жидкости. Особенно это относится к сосудам с открытой горловиной, так как при их быстром заполнении возможно выбрасывание жидкости в помещение. Количество жидкого криогенного продукта, заливаемого в резервуар, не должно превышать для жидкого кислорода 1,08, а для жидкого азота 0,77 кг/дм3 вместимости.
Переливание жидких криогенных продуктов из одного резервуара в другой и заполнение их из транспортных резервуаров должно производиться на бетонных площадках. Производить сливоналивные операции с криопродуктами на площадках, покрытых асфальтом, категорически запрещено ввиду того, что система асфальт — жидкий кислород (или жидкость, обогащенная кислородом) взрывоопасна и имеет очень малую энергию зажигания.
При переливании жидких криогенных продуктов в сосуды небольшой емкости или сосуды Дьюара следует пользоваться специальными воронками. Верхняя часть воронки должна быть частично закрыта для уменьшения разбрызгивания жидкости. При переливании жидких криогенных продуктов металлические шланги следует применять для какой-либо одного жидкого криогенного продукта. Применение шлангов для одного, а затем для другого жидкого криогенного продукта не допускается. Шланги, которые не используют, должны быть закрыты заглушками для предотвращения их загрязнения и проникновения воды. Состояние шлангов следует регулярно проверять. По окончании переливания жидкий криогенный продукт должен быть полностью удален из шлангов во избежание их разрыва в случае герметичного закрытия с обоих концов.
При эксплуатации сосудов и резервуаров с жидкими криогенными продуктами необходимо постоянно обращать внимание на состояние трубопроводов и устройств, по которым из них отводится образующийся пар. Известны неоднократные случаи, когда в результате вымораживания атмосферной влаги и образования льда на внутренних поверхностях горловин сосудов Дьюара и внутри сбросных трубопроводов давление в сосудах повышалось до опасных значений.
Отбор проб жидких криогенных продуктов на анализ следует осуществлять в предварительно охлажденные сосуды. Заполнять сосуды надо медленно, не допуская выбрасывания жидкостей из горловины. Жидкие криогенные продукты имеют температуру 77-90К (196— 183 °С). В связи с этим обращаться с ними следует осторожно. Попав на кожу, они быстро растекаются на поверхности и вызывают сильное охлаждение, что может привести к обмораживанию. Особенно опасно попадание капель сжиженных газов в глаза, что приводит к серьезным травмам. Кратковременное воздействие капель жидкого криогенного продукта на кожу не вызывает ее повреждения ввиду очень малой теплоемкости сжиженных газов. Однако опасность обмораживания существенно возрастает при попадании капель жидкого криогенного продукта за воротник одежды или внутрь обуви. При работе с жидким криогенным продуктом необходимо защищать глаза лицевым щитком или защитными очками, имеющими боковые щитки. Верхняя одежда должна быть наглухо закрыта, а брюки должны закрывать обувь. Опасно прикосновение руками к предметам и стенкам сосудов, охлажденных криогенными жидкостям. В связи с этим операции по заливанию, переливанию и переносу жидких криогенных продуктов следует производить в асбестовых, кожаных или брезентовых рукавицах, которые следует надевать на руку свободно, чтобы при необходимости их можно было легко сбросить. При попадании жидких криогенных продуктов на незащищенный участок тела его следует немедленно обмыть водой.
В помещениях, где ведутся работы с жидкими криогенными продуктами, должна быть организована хорошая вентиляция и контроль за содержанием кислорода в воздухе помещения. Следует иметь в виду, что кислород и аргон при комнатной температуре значительно тяжелее воздуха. Поэтому при утечках в помещение содержание этих газов в приямках и траншеях могут быть значительно выше содержаний в помещении. Этим обуславливается необходимость контроля содержания кислорода в приямках и траншеях перед доступом туда людей для выполнения каких-либо работ. После окончания работ с жидкими криогенными продуктами или перерыве в работах на значительное время сосуды с жидкими крио-продуктами из помещения необходимо удалить, а из открытых ванн и сосудов криопродукты следует слить. Если по каким-либо причинам сосуды с криопродуктами были оставлены в закрытом помещении, вход в него персонала может быть допущен только после контроля содержания кислорода в помещении. Категорически запрещается выливать жидкие криогенные продукты на пол помещений ввиду того, что испарение их приводит к значительному загрязнению атмосферы помещения, а также к охлаждению перекрытий, что может привести к разрушению последних. Слив в помещении жидкого кислорода может привести к пожару или взрыву. Неиспользованные жидкие криогенные продукты необходимо сливать в специальные испарители или резервуары. Слив их на грунт неоднократно приводил к сильным взрывам, так как криогенные жидкости постепенно пропитывают грунт и могут проникать на значительную глубину, достигая находящиеся там горючие предметы. В помещениях, где проводят работы с жидкими криогенными продуктами, должны быть обеспечены необходимая вентиляция и регулярный контроль за содержанием кислорода в воздухе. Проведение каких-либо работ запрещается, если содержание кислорода в воздухе более 23 или менее 19 %.
Жидкие криогенные продукты относятся к опасным грузам. Классификация их по степеням опасности согласно ГОСТ 19433-81 «Грузы опасные» и особенности их транспортировки изложены в Правилах перевозки автомобильным транспортом инертных газов и кислорода сжатых и жидких.
Особенности обращения с жидким кислородом.
Особую опасность при контакте с жидким кислородом представляют вещества, например дерево, асфальт, которые пропитываются им и образуют так называемые оксиликвиты, по своим взрывным свойствам близкие к наиболее сильным взрывчатым веществам.
Опасно также соприкосновение жидкого кислорода с маслом, жирами, тканями. Все оборудование, предназначенное для работы с жидким кислородом, должно быть обезжирено и соответственно обработано для удаления остатков растворителя. При хранении и использовании инструмента и оборудования, предназначенных для работы с жидким кислородом, следует обеспечить их чистоту.
В помещениях, где проводятся работы с жидким кислородом, должны быть вывешены плакаты «Осторожно, кислород!».
Ремонт аппаратов, сосудов, приборов и коммуникаций, в которых находился жидкий кислород, можно проводить только после их отогрева до положительных температур и удаления из них газообразного кислорода продувкой воздухом.
Оборудование, предназначенное для работы с жидким кислородом, категорически запрещается использовать для работы с другими криогенными продуктами, так как при этом оно может быть загрязнено.
В помещениях, где проводят работы с жидким кислородом, категорически запрещается курить, зажигать спички, пользоваться открытым огнем и электронагревателями с открытой спиралью. В этих помещениях должны быть вывешены специальные плакаты.
Одежду, в которой проводили работы с жидким кислородом, следует хранить в шкафах в специальных отделениях, изолированно от загрязненной спецодежды. Одежда должна висеть свободно. Если она была облита жидким кислородом, необходимо заменить ее другой, а пропитанную кислородом одежду надо проветрить в течение не менее чем 30 мин.
При работе с жидким кислородом неоднократно происходили взрывы, обусловленные взрывоопасностью большинства органических веществ в жидком кислороде, а также тем, что многие из них (асфальт, дерево, хлопчатобумажные ткани, опилки) пропитываются жидким кислородом, образуя взрывчатые вещества (оксиликвиты). Например, известно несколько взрывов с весьма тяжелыми последствиями, происшедших в результате проливов на асфальт жидкого кислорода во время его переливания из одного резервуара в другой. Во время одного из них взрыв был инициирован падением молотка на асфальт, пропитанный жидким кислородом. К взрывам большой силы приводили проливы жидкого кислорода на деревянные шпалы железнодорожных путей. Один из них был вызван трещиной в паяном соединении трубки, предназначенной для отбора жидкого кислорода на анализ. В результате во время стоянки железнодорожной емкости жидкий кислород капал на шпалы достаточно длительное время и после начала движения состава произошел сильный взрыв, повредивший участок железнодорожного пути и вагон, расположенный после кислородной цистерны. Также было повреждено остекление домов, расположенных в районе железнодорожного пути. Поэтому совершенно недопустимо переливать жидкий кислород или производить работы с ним в помещениях или на площадках, имеющих асфальтовое покрытие. Шпалы на путях, где производятся сливно-наполнительные работы с жидким кислородом, должны быть железобетонные. Наличие на промышленных площадках, а иногда и в помещениях, резервуаров с жидкими криогенными продуктами создает предпосылки для возникновения серьезных аварий в результате разливов жидких криогенных продуктов или их выпуска на грунт. В мировой практике известен ряд случаев с разливом жидкого кислорода, сопровождающихся очень тяжелыми последствиями. Например, на одном из химических предприятий жидкий кислород, ввиду отсутствия потребителей, в значительных количествах сливали на грунт. Постепенно, пропитав грунт, он проник до слоев битумной гидроизоляции, взрыв которой привел к значительным разрушениям. Мероприятия по предотвращению подобных аварий следует всегда прорабатывать при проектировании производств разделения воздуха. Особенности обращения с жидким кислородом должны учитываться при обращении с жидким воздухом и первичным криптоновым концентратом.
Водород
Химический элемент водород занимает особое положение в периодической системе Д.И. Менделеева. По числу валентных электронов, способности образовывать в растворах гидратный ион H он сходен с щелочными металлами, и его следует поместить в I группу.
По числу электронов, необходимых для завершения внешней электронной оболочки, значению энергии ионизации, способности проявлять отрицательную степень окисления, малому атомному радиусу водород следует поместить в VII группу периодической системы. Таким образом, размещение водорода в той или иной группе периодической системы в значительной мере условно, но в большинстве случаев его помещают в VII группу.
Электронная формула водорода 1s1. Единственный валентный электрон находится непосредственно в сфере действия атомного ядра. Простота электронной конфигурации водорода отнюдь не означает, что химические свойства этого элемента просты. Напротив, химия водорода во многом отличается от химии других элементов. Водород в своих соединениях способен проявлять степени окисления 1 и –1.
Существует большое количество методов получения водорода. В лаборатории его получают взаимодействием некоторых металлов с кислотами, например:
Водород можно получить электролизом водных растворов серной кислоты или щелочей. При этом происходит процесс выделения водорода на катоде и кислорода на аноде.
В промышленности водород получают главным образом из природных и попутных газов, продуктов газификации топлива и коксового газа.
Простое вещество водород, H2, представляет собой горючий газ без цвета и запаха. Температура кипения –252,8 °C. Водород в 14,5 раза легче воздуха, мало растворим в воде.
Молекула водорода устойчива, обладает большой прочностью. Из-за высокой энергии диссоциации распад молекул H2 на атомы происходит в заметной степени лишь при температуре выше 2000 °C.
Для водорода возможны положительная и отрицательная степени окисления, поэтому в химических реакциях водород может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. В тех случаях, когда водород выступает в качестве окислителя, он ведёт себя подобно галогенам, образуя аналогичные галогенидам гидриды (гидридами называют группу химических соединений водорода с металлами и менее электроотрицательными, чем он, элементами):
По окислительной активности водород существенно уступает галогенам. Поэтому ионный характер проявляют лишь гидриды щелочных и щёлочноземельных металлов. Ионные, а также комплексные гидриды, например, являются сильными восстановителями. Их широко используют в химических синтезах.
В большинстве реакций водород ведёт себя как восстановитель. При нормальных условиях водород не взаимодействует с кислородом, однако при поджигании реакция протекает со взрывом:
Смесь двух объёмов водорода с одним объёмом кислорода называют гремучим газом. При контролируемом горении происходит выделение большого количества тепла, и температура водородно-кислородного пламени достигает 3000 °С.
Реакция с галогенами протекает в зависимости от природы галогена по-разному:
С фтором такая реакция идёт со взрывом даже при низких температурах. С хлором на свету реакция также протекает со взрывом. С бромом реакция идёт значительно медленнее, а с йодом не доходит до конца даже при высокой температуре. Механизм этих реакций радикальный.
При повышенной температуре водород взаимодействует с элементами VI группы — серой, селеном, теллуром, например:
Очень важной является реакция водорода с азотом. Эта реакция обратима. Для смещения равновесия в сторону образования аммиака используют повышенное давление. В промышленности данный процесс осуществляют при температуре 450—500 °С, давлении 30 МПа, в присутствии различных катализаторов:
Водород восстанавливает многие металлы из оксидов, например:
Данную реакцию используют для получения некоторых чистых металлов.
Огромную роль играют реакции гидрирования органических соединений, которые широко используют как в лабораторной практике, так и в промышленном органическом синтезе.
Сокращение природных источников углеводородного сырья, загрязнение окружающей среды продуктами сгорания топлива повышают интерес к водороду как к экологически чистому топливу. Вероятно, водород будет играть важную роль в энергетике будущего.
В настоящее время водород широко применяют в промышленности для синтеза аммиака, метанола, гидрогенизации твёрдого и жидкого топлива, в органическом синтезе, для сварки и резки металлов и т. д.
Вода H2O, оксид водорода, является важнейшим химическим соединением. При нормальных условиях вода — бесцветная жидкость, без запаха и вкуса. Вода — самое распространённое вещество на поверхности Земли. В человеческом организме содержится 63—68 % воды.
Вода является стабильным соединением, её разложение на кислород и водород происходит лишь под действием постоянного электрического тока или при температуре около 2000 °C:
Вода непосредственно взаимодействует с металлами, стоящими в ряду стандартных электронных потенциалов до водорода. Продуктами реакции в зависимости от природы металла могут быть соответствующие гидроксиды и оксиды. Скорость реакции в зависимости от природы металла также изменяется в широких пределах.
Вода может вступать в реакцию со многими неметаллами, так, при обычных условиях вода обратимо взаимодействует с хлором:
При повышенной температуре вода взаимодействует с углем с образованием так называемого синтез-газа — смеси оксида углерода (II) и водорода:
При обычных условиях вода реагирует со многими основными и кислотными оксидами с образованием оснований и кислот соответственно:
Реакция идёт до конца, если соответствующее основание или кислота растворимы в воде.
Галогены
В VIIА группе находятся фтор, хлор, бром, йод и астат. Эти элементы называют также галогенами (в переводе — рождающие соли).
На внешнем энергетическом уровне всех этих элементов находятся 7 электронов (конфигурации ns2np5), наиболее характерные степени окисления –1, 1, 5 и 7 (кроме фтора).
Атомы всех галогенов образуют простые вещества состава Hal2.
Галогены являются типичными неметаллами. При переходе от фтора к астату происходит увеличение радиуса атома, неметаллические свойства падают, происходит уменьшение окислительных и увеличение восстановительных свойств.
Физические свойства галогенов приведены в таблице 8.
В химическом отношении галогены весьма активны. Их реакционная способность убывает с увеличением порядкового номера. Некоторые характерные для них реакции приведены ниже на примере хлора:
Водородные соединения галогенов — галогеноводороды имеют общую формулу HHal. Их водные растворы являются кислотами, сила которых возрастает от HF к HI.
Галогенводородные кислоты (за исключением HF) способны реагировать с такими сильными окислителями, как KMnO4, MnO2, K2Cr2O7, CrO3 и другими, с образованием галогенов:
Галогены образуют ряд оксидов, например, для хлора известны кислотные оксиды состава Cl2O, ClO2, ClO3, Cl2O7. Все эти соединения получают косвенными методами. Они являются сильными окислителями и взрывоопасными веществами.
Наиболее устойчивым из оксидов хлора является Cl2O7. Оксиды хлора легко реагируют с водой, образуя кислородсодержащие кислоты: хлорноватистую HClO, хлористую HClO2, хлорноватую HClO3 и хлорную HClO4, например:
В промышленности бром получают при вытеснении хлором из бромидов, а в лабораторной практике — окислением бромидов:
Простое вещество бром является сильным окислителем, легко вступает в реакции со многими простыми веществами, образуя бромиды; вытесняет йод из йодидов.
Простое вещество йод, I2, представляет собой чёрные с металлическим блеском кристаллы, которые возгоняются, т. е. переходят в пар, минуя жидкое состояние. Йод мало растворим в воде, но довольно хорошо растворяется в некоторых органических растворителях (спирт, бензол и т. д.).
Йод является довольно сильным окислителем, способным к окислению ряда металлов и некоторых неметаллов.
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.
Компонент ракетного топлива
Жидкий кислород является широко распространённым окислительным компонентом ракетного топлива, обычно в сочетании с ним используют керосин. Использование кислорода обусловлено высоким удельным импульсом, который получается при применении этого окислителя в ракетных двигателях.
Кислород — самый дешёвый из применяемых компонентов ракетных топлив. Первое применение имело место в германской БРФау-2, позднее в американских БР «Редстоун» и РН «Атлас», а также в советской МБРР-7.
Жидкий кислород активно использовался в ранних МБР, но в более поздних образцах этих ракет его не применяют из-за очень низкой температуры и необходимости регулярной дозаправки для компенсации выкипания окислителя, что затрудняет быстрый запуск. Многие современные ЖРД используют ЖК в качестве окислителя, например РД-180, RS-25.
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.
Тренировочные задания
1. Водород при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) кислородом и железом2) серой и хромом3) оксидом углерода (II) и соляной кислотой4) азотом и натрием
2. Верны ли следующие утверждения о водороде?
А. Перекись водорода можно получить сжиганием водорода в избытке кислорода.Б. Реакция между водородом и серой идёт без катализатора.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
3. Кислород при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) гелием и железом2) фосфором и цинком3) оксидом кремния (IV) и хлором4) хлоридом калия и серой
4. Верны ли следующие утверждения о кислороде?
А. Кислород не реагирует с хлором.Б. Реакция кислорода с серой даёт SO2.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
5. Фтор при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) гелием и железом2) аргоном и азотной кислотой3) оксидом углерода (IV) и неоном4) водой и натрием
6. Верны ли следующие утверждения о фторе?
А. Реакция избытка фтора с фосфором приводит к PF5.Б. Фтор реагирует с водой.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
7. Хлор при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) кислородом и железом2) фосфором и серной кислотой3) оксидом кремния (IV) и неоном4) бромидом калия и серой
8. Верны ли следующие утверждения о хлоре?
А. Пары хлора легче воздуха.Б. В заимодействие хлора с кислородом приводит к оксиду хлора (V).
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
9. Бром при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) фосфором и железом2) фосфором и серной кислотой3) оксидом кремния (IV) и хлором4) бромидом калия и серой
10. Верны ли следующие утверждения о броме?
А. Бром не вступает в реакцию с водородом.Б. Бром вытесняет хлор из хлоридов.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
11. Йод при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) гелием и железом2) фосфором и кальцием3) оксидом кремния (IV) и хлором4) хлоридом калия и серой
12. Верны ли следующие утверждения о йоде?
А. Раствор йода обладает бактерицидными свойствами.Б. Йод реагирует с хлоридом кальция.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
13. Сера при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) натрием и железом2) фосфором и оксидом цинком3) оксидом кремния (IV) и хлором4) хлоридом калия и бромидом натрия
14. Верны ли следующие утверждения о сере?
А. При сплавлении серы и кальция образуется CaS.Б. При реакции серы с кислородом образуется SO2.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
15. Азот при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) литием и хлоридом кальция2) хлором и оксидом кальция3) оксидом кремния (IV) и хлором4) литием и кальцием
16. Верны ли следующие утверждения об азоте?
А. В промышленности реакцию азота и водорода осуществляют под высоким давлением в присутствии катализатора.Б. При взаимодействии азота и натрия образуется Na3N.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
17. Фосфор при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) натрием и сульфидом кальция2) хлором и кислородом3) оксидом углерода (IV) и серой4) серой и оксидом цинка
18. Верны ли следующие утверждения о фосфоре?
А. Реакция фосфора с хлором идёт только в присутствии катализатора.Б. При реакции фосфора с избытком серы образуются только P2S3.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
19. Углерод при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) кальцием и сульфатом бария2) хлором и неоном3) оксидом фосфора (V) и серой4) серой и гидроксидом цинка
20. Верны ли следующие утверждения об углероде?
А. При взаимодействии углерода с натрием образуется карбид состава Na2C2.Б. Углерод реагирует с оксидом кальция с образованием CaC2.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
21. Кремний при соответствующих условиях вступает в реакцию с каждым из двух веществ:
1) кислородом и гидроксидом натрия2) хлором и неоном3) оксидом фосфора (V) и серой4) серой и гидроксидом цинка
22. Верны ли следующие утверждения о кремнии?
А. При взаимодействии кремния с углеродом образуется карбид состава SiC.Б. Кремний реагирует с магнием с образованием Mg2Si.
1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны
23. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) H2 Ca →Б) H2 Na2SO4 →В) H2 CuO →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) Na2SO3 H2O2) Cu(OH)23) Cu H2O4) CaH25) Na2S H2O
24. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) H2 Fe3O4 →Б) H2 N2 →В) H2 Na →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) Fe(OH)22) NH33) N2H44) Fe H2O 5) NaH
25. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) O2 Li →Б) O2 Fe(OH)2 H2O →В) O2 (изб.) P →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) Li2O2) Li2O23) P2O54) Fe(OH)35) P2O3
26. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) O2 S →Б) O2 Cr(OH)2 H2O →В) O2 (изб.) C →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) CO2) CO23) SO34) SO25) Cr(OH)3
27. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) Cl2 Fe →Б) Cl2 Cr →В) Cl2 (изб.) P →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) PCl32) FeCl23) FeCl34) CrCl35) PCl5
28. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) Cl2 NaOH (охл.) →Б) Cl2 NaOH (нагр.) →В) Cl2 NaBr →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) NaClO3 NaCl H2O2) NaCl NaClO H2O3) NaClO3 NaCl4) NaCl Br25) NaClBr
29. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) Br2 NaI →Б) Br2 NaOH (нагр.) →В) Br2 NaOH (охл.) →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) NaClI2) NaBrO NaBr3) NaBrO3 NaBr H2O4) NaBrO NaBr H2O5) NaBr I2
30. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) Br2 NaOH (нагр.) →Б) Br2 I2 →В) Br2 SO2 H2O →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) NaBr NaBrO3 H2O2) NaBr NaBrO H2O3) I Br4) H2SO4 HBr5) HBr SO3
31. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) I2 SO2 H2O →Б) I2 H2S →В) I2 HNO3 (конц.) →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) HIO3 NO2 H2O2) HI S3) HIO NO H2O4) HIO NO25) HI H2SO4
32. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) I2 HNO3 (конц.) →Б) I2 NaOH (нагрев.) →В) I2 Br2 →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) NaI NaIO H2O2) HIO3 NO2 H2O3) IBr4) HIO NO H2O5) NaI NaIO3 H2O
33. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) S Na →Б) S HI →В) S NaOH →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) Na2SO3 H2O2) Na2S3) H2S I24) Na2S Na2SO3 H2O5) Na2S H2O
34. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) S Cl2 (недост.) →Б) S HNO3 (конц.) →В) S O2 →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) H2SO4 NO2 H2O2) SCl63) SO34) SO25) SCl2
35. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) N2 O2 →Б) N2 Na →В) N2 Ca →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) Ca3N22) NO23) N2O54) NO5) Na3N
36. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) N2 Li →Б) N2 Al →В) N2 H2 →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) NH32) Li3N3) N2H24) LiN35) AlN
37. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) P H2 →Б) P Cl2 (изб.) →В) P H2SO4 (конц.) →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) PCl32) H3PO4 SO2 H2O3) H2S PH3 H2O4) PH35) PCl5
38. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) P Br2 (недост.) →Б) P LiВ) P HNO3 (конц.) →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) H3PO4 NO2 H2O2) Li3P3) H3PO4 NH4NO34) PBr55) PBr3
39. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) C H2SO4 (конц.) →Б) C Ca →В) C Na2SO4 →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) CO2 SO2 H2O2) Na2SO3 CO3) CaC24) CaC5) Na2S CO2
40. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) C H2O →Б) C HNO3 →В) C S →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) CO2 NO2 H2O2) CO2 NH4NO33) CO H24) CO2 H25) CS2
41. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) Si O2 →Б) Si S →В) S i Mg →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) SiS22) Mg2S3) MgS4) SiO25) SiS
42. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами реакций.
РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВАА) Si Cl2 →Б) Si C →В) Si NaOH →
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ1) SiC2) SiCl23) Na2SiO3 H24) Na2SiO3 H2O5) SiCl4
43. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
44. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
45. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
46. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
47. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
48. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
49. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для второго превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
50. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
51. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
52. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
53. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
54. Дана схема превращений:
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для третьего превращения составьте сокращённое ионное уравнение реакции.
Углерод
Химический элемент углерод расположен во 2-м периоде, главной подгруппе IV группы периодической системы Д.И. Менделеева, его электронная формула 1s22s22p2, наиболее характерные степени окисления –4, 2, 4.
Для углерода известны стабильные аллотропные модификации (графит, алмаз, аллотропия строения), в виде которых он встречается в природе, а также полученные лабораторным путём карбин и фуллерены.
Алмаз — кристаллическое вещество с атомной координационной кубической решёткой. Каждый атом углерода в алмазе находится в состоянии sp3-гибридизации и образует равноценные прочные связи с четырьмя соседними атомами углерода. Это обуславливает исключительную твёрдость алмаза и отсутствие в обычных условиях электропроводности.
В графите атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Атомы углерода объединены в бесконечные слои из шестичленных колец, стабилизированные ω-связью, делокализованные в пределах всего слоя. Этим объясняется металлический блеск и электрическая проводимость графита.
Углеродные слои объединены в кристаллическую решётку в основном за счёт межмолекулярных сил. Прочность химических связей в плоскости макромолекулы значительно больше, чем между слоями, поэтому графит довольно мягок, легко расслаивается и химически несколько активнее алмаза.
В состав древесного угля, сажи и кокса входят очень мелкие кристаллы графита с очень большой поверхностью, которые называют аморфным углеродом.
В карбине атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации. Его кристаллическая решётка построена из прямолинейных цепочек двух видов:
Карбин представляет собой порошок чёрного цвета с плотностью 1,9—2,0 г/см3, является полупроводником.
Аллотропные модификации углерода могут переходить друг в друга при определённых условиях. Так, при нагревании без доступа воздуха при температуре 1750 °С алмаз переходит в графит.
В нормальных условиях углерод весьма инертен, однако при высоких температурах он вступает в реакции с различными веществами, причём самой реакционноспособной формой является аморфный углерод, менее активен графит, а самый инертный — алмаз.
Реакции, характерные для углерода:
Углерод устойчив к действию кислот и щелочей. Только горячие концентрированные азотная и серная кислоты могут окислить его до оксида углерода (IV):
Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов. При этом в зависимости от природы металла образуются либо чистые металлы (оксиды железа, кадмия, меди, свинца), либо соответствующие карбиды (оксиды кальция, ванадия, тантала), например:
Углерод образует два оксида: CO и CO2.
Оксид углерода (II) CO (угарный газ) представляет собой бесцветный газ без запаха, плохо растворимый в воде. Это соединение является сильным восстановителем. Он горит на воздухе с выделением большого количества теплоты, благодаря чему CO является хорошим газообразным топливом.
Оксид углерода (II) восстанавливает многие металлы из их оксидов:
Оксид углерода (II) является несолеобразующим оксидом, с водой и щелочами он не реагирует.
Оксид углерода (IV) CO2 (углекислый газ) представляет собой бесцветный, без запаха, негорючий газ, малорастворимый в воде. В технике его обычно получают термическим разложением CaCO3, а в лабораторной практике — действием на CaCO3 соляной кислоты:
Оксид углерода (IV) является кислотным оксидом. Его характерные химические свойства:
Оксиду углерода (IV) соответствует очень слабая двухосновная угольная кислота H2CO3, которая не существует в чистом виде. Она образует два ряда солей: средние — карбонаты, например карбонат кальция CaCO3, и кислые — гидрокарбонаты, например Ca(HCO3)2 — гидрокарбонат кальция.
Карбонаты переходят в гидрокарбонаты под действием избытка углекислого газа в водной среде:
Гидрокарбонат кальция превращается в карбонат под действием гидроксида кальция:
Гидрокарбонаты и карбонаты разлагаются при нагревании:
Химические свойства
Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона. Наиболее распространённая степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:
- 4Li O2 → 2Li2O
- 2Sr O2 → 2SrO
Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:
- 2NO O2 → 2NO2↑
Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения:
- 2C6H6 15O2 → 12CO2 6H2O
- CH3CH2OH 3O2 → 2CO2 3H2O
При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:
- CH3CH2OH O2 → CH3COOH H2O
Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета.
Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.
- 2Na O2 → Na2O2
- 2BaO O2 → 2BaO2
- H2 O2 → H2O2
- Na2O2 O2 → 2NaO2
- K O2 → KO2
- 3KOH 3O3 → 2KO3 KOH ∗ H2O 2O2↑
- PtF6 O2 → O2PtF6
В этой реакции, кислород проявляет восстановительные свойства.