Выберите верные характеристики кислорода
Кислород О
имеет атомный номер 8, расположен в главной подгруппе (подгруппе а) VI группе, во втором периоде. В атомах кислорода валентные электроны размещаются на 2-м энергетическом уровне, имеющем только s— и p-орбитали. Это исключает возможность перехода атомов О в возбуждённое состояние, поэтому кислород во всех соединениях проявляет постоянную валентность, равную II. Имея высокую электроотрицательность, атомы кислорода всегда в соединениях заряжены отрицательно (с.о. = −2 или −1). Исключение — фториды OF2 и O2F2.
Для кислорода известны степени окисления −2, −1, +1, +2
Общая характеристика элемента
Кислород — самый распространенный элемент на Земле, на его долю приходится чуть меньше половины, 49 % от общей массы земной коры. Природный кислород состоит из 3 стабильных изотопов 16О, 17О и 18О (преобладает 16О). Кислород входит в состав атмосферы (20,9 % по объему, 23,2 по массе), в состав воды и более 1400 минералов: кремнезема, силикатов и алюмосиликатов, мраморов, базальтов, гематита и других минералов и горных пород. Кислород составляет 50-85% массы тканей растений и животных, т.к содержится в белках, жирах и углеводах, из которых состоят живые организмы. Общеизвестна роль кислорода для дыхания, для процессов окисления.
Кислород сравнительно мало растворим в воде — 5 объемов в 100 объемах воды. Однако, если бы весь растворенный в воде кислород перешел в атмосферу, то он занял бы огромный объем — 10 млн км3 ( н.у). Это равно примерно 1% всего кислорода в атмосфере. Образование на земле кислородной атмосферы обусловлено процессами фотосинтеза.
Открыт шведом К. Шееле ( 1771 — 1772 г.г) и англичанином Дж. Пристли ( 1774г.). Первый использовал нагревание селитры, второй — оксида ртути (+2). Название дал А.Лавуазье («оксигениум» — «рождающий кислоты»).
В свободном виде существует в двух аллотропных модификациях — «обыкновенного» кислорода О2 и озона О3.
3О2 = 2О3 — 285 кДж Озон в стратосфере образует тонкий слой, который поглощает большую часть биологически вредного ультрафиолетового излучения. При хранении озон самопроизвольно превращается в кислород. Химически кислород О2 менее активен, чем озон. Электроотрицательность кислорода 3,5.
Физические свойства кислорода
O2 — газ без цвета, запаха и вкуса, т.пл. —218,7 °С, т.кип. —182,96 °С, парамагнитен.
Жидкий O2 голубого, твердый — синего цвета. O2 растворим в воде (лучше, чем азот и водород).
Получение кислорода
1. Промышленный способ — перегонка жидкого воздуха и электролиз воды:
2Н2О → 2Н2 + О2
2. В лаборатории кислород получают: 1.Электролизом щелочных водных растворов или водных растворов кислородосодержащих солей (Na2SO4 и др.)
2. Термическим разложением перманганата калия KMnO4: 2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2↑,
Бертолетовой соли KClO3: 2KClO3 = 2KCl + 3O2↑ (катализатор MnO2)
Оксида марганца (+4) MnO2: 4MnO2 = 2Mn2O3 + O2↑ (700 oC),
3MnO2 = 2Mn3O4 + O2↑ (1000 oC),
Пероксид бария BaO2 : 2BaO2 = 2BaO + O2↑
3. Разложением пероксида водорода: 2H2O2 = H2O + O2↑ (катализатор MnO2)
4. Разложение нитратов: 2KNO3 → 2KNO2 + O2
На космических кораблях и подводных лодках кислород получают из смеси K2O2 и K2O4: 2K2O4 + 2H2O = 4KOH +3O2↑ 4KOH + 2CO2 = 2K2CO3 + 2H2O
Суммарно: 2K2O4 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3О2 ↑
Когда используют K2O2, то суммарная реакция выглядит так: 2K2O2 + 2CO2 = 2K2CO3 + O2 ↑
Если смешать K2O2 и K2O4 в равномолярных (т.е. эквимолярных) количествах, то на 1 моль поглощенного СО2 выделится один моль О2.
Химические свойства кислорода
Кислород поддерживает горение. Горение — быстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и света. Чтобы доказать, что в склянке находится кислород, а не какой-то другой газ, надо в склянку опустить тлеющую лучинку. В кислороде тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Горение различных веществ на воздухе — это окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является кислород. Окислители — это вещества, «отбирающие» электроны у веществ-восстановителей. Хорошие окислительные свойства кислорода можно легко объяснить строением его внешней электронной оболочки.
Валентная оболочка кислорода расположена на 2-м уровне — относительно близко к ядру. Поэтому ядро сильно притягивает к себе электроны. На валентной оболочке кислорода 2s2 2p4 находится 6 электронов. Следовательно, до октета недостает двух электронов, которые кислород стремится принять с электронных оболочек других элементов, вступая с ними в реакции в качестве окислителя.
Кислород имеет вторую (после фтора) электроотрицательность в шкале Полинга. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений с другими элементами кислород имеет отрицательную степень окисления. Более сильным окислителем, чем кислород, является только его сосед по периоду — фтор. Поэтому соединения кислорода с фтором — единственные, где кислород имеет положительную степень окисления.
Итак, кислород — второй по силе окислитель среди всех элементов Периодической системы. С этим связано большинство его важнейших химических свойств. С кислородом реагируют все элементы, кроме Au, Pt, He, Ne и Ar, во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород — окислитель.
Кислород легко реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами:
4Li + O2 → 2Li2O,
2K + O2 → K2O2,
2Ca + O2 → 2CaO,
2Na + O2 → Na2O2,
2K + 2O2 → K2O4
Мелкий порошок железа ( так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe2O3, а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:
3 Fe + 2O2 → Fe3O4
2Mg + O2 → 2MgO
2Cu + O2 → 2CuO
С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:
S + O2 → SO2,
C + O2 → CO2,
2H2 + O2 → H2O,
4P + 5O2 → 2P2O5,
Si + O2 → SiO2, и т.д
Почти все реакции с участием кислорода O2 экзотермичны, за редким исключением, например:
N2 + O2 → 2NO — Q
Эта реакция протекает при температуре выше 1200 oC или в электрическом разряде.
Кислород способен окислить сложные вещества, например:
2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O (избыток кислорода),
2H2S + O2 → 2S + 2H2O (недостаток кислорода),
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O (без катализатора),
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (в присутствии катализатора Pt ),
CH4 (метан) + 2O2 → CO2 + 2H2O,
4FeS2 (пирит) + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2.
Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O2+, например, O2+ [PtF6]— (успешный синтез этого соединения побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).
Озон химически более активен, чем кислород O2. Так, озон окисляет иодид — ионы I— в растворе Kl:
O3 + 2Kl + H2O = I2 + O2 + 2KOH
Озон сильно ядовит, его ядовитые свойства сильнее, чем, например, у сероводорода. Однако в природе озон, содержащийся в высоких слоях атмосферы, выполняет роль защитника всего живого на Земле от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Тонкий озоновый слой поглощает это излучение, и оно не достигает поверхности Земли. Наблюдаются значительные колебания в толщине и протяженности этого слоя с течением времени (так называемые озоновые дыры) причины таких колебаний пока не выяснены.
Применение кислорода O2: для интенсификации процессов получения чугуна и стали, при выплавке цветных металлов, как окислитель в различных химических производствах, для жизнеобеспечения на подводных кораблях, как окислитель ракетного топлива (жидкий кислород), в медицине, при сварке и резке металлов.
Применение озона О3: для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.
