Химическият елемент кислород е във втория период на VI-та основна група на остарялата кратка версия на периодичната таблица. Според новите стандарти за номерация това е 16-та група. Съответното решение е взето от IUPAC през 1988 г. Формулата за кислорода като просто вещество е O2. Помислете за основните му свойства, роля в природата и икономиката. Нека започнем с характеристиките на цялата група на периодичната система, която се оглавява от кислорода. Елементът е различен от свързаните с него халкогени, а водата се различава от водородните съединения на сяра, селен и телур. Обяснение на всички отличителни черти може да се намери само като се научи за структурата и свойствата на атома.
Халкогените са елементи, свързани с кислорода
Атоми с подобни свойства образуват една група в периодичната система. Кислородът е водещ в семейството на халкогените, но се различава от тях по редица свойства.
Атомната маса на кислорода - предшественикът на групата - е 16 a.u. д. м. Халкогените при образуването на съединения с водород и метали проявяват обичайните систепен на окисление: -2. Например, в състава на водата (Н2О), степента на окисление на кислорода е –2.
Съставът на типичните водородни съединения на халкогените съответства на общата формула: H2R. Когато тези вещества се разтварят, се образуват киселини. Специални свойства има само водородното съединение на кислорода - водата. Според учените това необичайно вещество е едновременно много слаба киселина и много слаба основа.
Сярата, селенът и телурът имат типични положителни степени на окисление (+4, +6) в съединения с кислород и други неметали с висока електроотрицателност (EO). Съставът на халкогеновите оксиди отразява общите формули: RO2, RO3. Съответните им киселини имат състав: H2RO3, H2RO 4.
Елементите съответстват на прости вещества: кислород, сяра, селен, телур и полоний. Първите трима представители проявяват неметални свойства. Формулата за кислород е O2. Алотропна модификация на същия елемент е озонът (О3). И двете модификации са газови. Сярата и селенът са твърди неметали. Телурът е металоидно вещество, проводник на електрически ток, полоният е метал.
Кислородът е най-разпространеният елемент
Общото атомно съдържание на елемент в земната кора е приблизително 47% (тегловно). Кислородът се среща както в свободна форма, така и в състава на множество съединения. Просто вещество, чиято формула е O2, се намира в атмосферата, съставляваща 21% от въздуха (по обем). Молекулният кислород се разтваря във вода, разположена между частиците на почвата.
Вече знаем, че съществува друг вид съществуване на същия химичен елемент под формата на просто вещество. Това е озон – газ, който образува слой на височина около 30 км от земната повърхност, често наричан озонов екран. Свързаният кислород е включен във водните молекули, в състава на много скали и минерали, органични съединения.
Структурата на кислородния атом
Периодичната таблица съдържа пълна информация за кислорода:
- Серийният номер на елемента е 8.
- Зареждане на ядрото - +8.
- Общият брой електрони е 8.
- Електронната формула на кислорода е 1s22s22p4.
В природата има три стабилни изотопа, които имат един и същ сериен номер в периодичната таблица, идентичен състав на протони и електрони, но различен брой неутрони. Изотопите са обозначени със същия символ - O. За сравнение представяме диаграма, отразяваща състава на три кислородни изотопа:
Свойства на кислорода - химичен елемент
Има два несдвоени електрона на 2p-подниво на атома, което обяснява появата на окислителни състояния –2 и +2. Двата сдвоени електрона не могат да бъдат разделени, за да се повиши степента на окисление до +4, както при сярата и други халкогени. Причината е липсата на безплатно подниво. Следователно в съединенията химичният елемент кислород не показва валентност и степенокисления, равни на номера на групата в кратката версия на периодичната система (6). Обичайното му окислително число е -2.
Само в съединения с флуор кислородът проявява нехарактерно положително окислително състояние +2. Стойността на EO на два силни неметала е различна: EO(O)=3,5; EO (F)=4. Като по-електроотрицателен химичен елемент, флуорът задържа електроните си по-силно и привлича валентни частици на външното енергийно ниво на кислородния атом. Следователно при реакцията с флуора кислородът е редуциращ агент, той дарява електрони.
Кислородът е просто вещество
Английският изследовател Д. Пристли през 1774 г. по време на експерименти отделя газ по време на разлагането на живачен оксид. Две години по-рано К. Шеле получава същото вещество в чист вид. Само няколко години по-късно френският химик А. Лавоазие установява какъв газ е част от въздуха, изследва свойствата. Химическата формула за кислород е O2. Нека отразим в записа на състава на веществото електроните, участващи в образуването на неполярна ковалентна връзка - O::O. Нека заменим всяка свързваща електронна двойка с една линия: O=O. Тази кислородна формула ясно показва, че атомите в молекулата са свързани между две общи двойки електрони.
Нека извършим прости изчисления и да определим какво е относителното молекулно тегло на кислорода: Mr(O2)=Ar(O) x 2=16 x 2=32. За сравнение: Mr(въздух)=29. Химическата формула на кислорода се различава от формулата на озона с един кислороден атом. Така Mr(O3)=Ar(O) x 3=48. Озонът е 1,5 пъти по-тежък от кислорода.
Физически свойства
Кислородът е безцветен газ без вкус и мирис (при нормална температура и атмосферно налягане). Веществото е малко по-тежко от въздуха; разтворим във вода, но в малки количества. Точката на топене на кислорода е отрицателна и е –218,3 °C. Точката, в която течният кислород се превръща обратно в газообразен, е неговата точка на кипене. За молекули O2 стойността на това физическо количество достига –182,96 °C. В течно и твърдо състояние кислородът придобива светлосин цвят.
Производство на кислород в лабораторията
При нагряване на съдържащи кислород вещества, като калиев перманганат, се отделя безцветен газ, който може да се събере в колба или епруветка. Ако поставите запалена факла в чист кислород, тя гори по-ярко, отколкото във въздуха. Други два лабораторни метода за получаване на кислород са разлагането на водороден прекис и калиев хлорат (бертолетова сол). Помислете за схемата на устройството, което се използва за термично разлагане.
Изсипете малко бертолетова сол в епруветка или колба с кръгло дъно, затворете със запушалка с тръба за изпускане на газ. Противоположният му край трябва да бъде насочен (под вода) към колбата, обърната с главата надолу. Вратът трябва да се спусне в широка чаша или кристализатор, пълна с вода. При нагряване на епруветка с бертолетова сол се отделя кислород. Влиза през вентилационната тръба вколба, измествайки водата от нея. Когато колбата се напълни с газ, тя се затваря под вода с тапа и се обръща. Кислородът, получен в този лабораторен експеримент, може да се използва за изследване на химичните свойства на просто вещество.
Изгаряне
Ако лабораторията гори вещества в кислород, тогава трябва да знаете и спазвате правилата за пожар. Водородът изгаря мигновено във въздуха и смесен с кислород в съотношение 2:1, той е експлозивен. Изгарянето на вещества в чист кислород е много по-интензивно, отколкото във въздуха. Това явление се обяснява със състава на въздуха. Кислородът в атмосферата е малко повече от 1/5 от частта (21%). Горенето е реакцията на вещества с кислород, в резултат на което се образуват различни продукти, главно оксиди на метали и неметали. Смеси от O2 с горими вещества са запалими, освен това получените съединения могат да бъдат токсични.
Изгарянето на обикновена свещ (или кибрит) е придружено от образуването на въглероден диоксид. Следното преживяване може да се направи у дома. Ако изгорите вещество под стъклен буркан или голяма чаша, горенето ще спре веднага щом целият кислород се изразходва. Азотът не поддържа дишането и горенето. Въглеродният диоксид, продукт на окисление, вече не реагира с кислорода. Бистрата варовикова вода позволява да се установи наличието на въглероден диоксид след изгарянето на свещта. Ако продуктите от горенето преминат през калциев хидроксид, разтворът става мътен. Между варовата вода и въглеродния диоксид протича химична реакция, което води до неразтворим калциев карбонат.
Производство на кислород в промишлен мащаб
Най-евтиният процес, който води до безвъздушни O2 молекули, не включва химични реакции. В промишлеността, да речем, в металургичните заводи, въздухът се втечнява при ниска температура и високо налягане. Най-важните компоненти на атмосферата, като азот и кислород, кипят при различни температури. Разделете въздушната смес, като постепенно загрявате до нормална температура. Първо се отделят азотни молекули, след това кислород. Методът на разделяне се основава на различни физични свойства на простите вещества. Формулата за просто вещество на кислорода е същата като преди охлаждането и втечняването на въздуха, - O2.
В резултат на някои реакции на електролиза се отделя и кислород, който се събира върху съответния електрод. Газът е необходим на промишлени и строителни предприятия в големи обеми. Търсенето на кислород непрекъснато нараства, особено в химическата промишленост. Полученият газ се съхранява за промишлени и медицински цели в стоманени бутилки, снабдени с маркировка. Кислородните резервоари са боядисани в синьо или синьо, за да ги разграничат от другите втечнени газове - азот, метан, амоняк.
Химически изчисления, използващи формулата и уравненията на реакциите, включващи молекули O2
Числовата стойност на моларната маса на кислорода съвпада с друга стойност - относителното молекулно тегло. Само в първия случай има единициизмервания. Накратко, формулата за веществото кислород и неговата моларна маса трябва да се запише, както следва: M(O2)=32 g/mol. При нормални условия един мол от газ съответства на обем от 22,4 литра. И така, 1 mol O2 е 22,4 литра вещество, 2 mol O2 е 44,8 литра. Според уравнението на реакцията между кислород и водород, можете да видите, че 2 мола водород и 1 мол кислород взаимодействат:
Ако 1 mol водород участва в реакцията, тогава обемът на кислорода ще бъде 0,5 mol • 22,4 l/mol=11,2 l.
Ролята на молекулите O2 в природата и човешкия живот
Кислородът се консумира от живите организми на Земята и е участвал в кръговрата на материята повече от 3 милиарда години. Това е основното вещество за дишането и обмяната на веществата, с негова помощ се извършва разграждането на хранителните молекули, синтезира се необходимата за организмите енергия. Кислородът се консумира постоянно на Земята, но запасите му се попълват чрез фотосинтеза. Руският учен К. Тимирязев вярва, че благодарение на този процес на нашата планета все още съществува живот.
Ролята на кислорода в природата и икономиката е голяма:
- абсорбира по време на дишане от живи организми;
- участва в реакциите на фотосинтеза в растенията;
- част от органични молекули;
- процесите на гниене, ферментация, ръждясване протичат с участието на кислород, действащ като окислител;
- използва се за производство на ценни продукти за органичен синтез.
Втечнен кислородцилиндрите се използват за рязане и заваряване на метали при високи температури. Тези процеси се извършват в машиностроителни заводи, в транспортни и строителни предприятия. За да извършват работа под вода, под земята, на голяма надморска височина във вакуум, хората също се нуждаят от O2 молекули. Кислородните възглавници се използват в медицината за обогатяване на състава на въздуха, вдишван от болни хора. Газът за медицински цели се различава от техническия по почти пълната липса на примеси и миризма.
Кислородът е идеалният окислител
Кислородните съединения са познати с всички химични елементи на периодичната таблица, с изключение на първите представители на семейството на благородните газове. Много вещества реагират директно с О атоми, с изключение на халогените, златото и платината. От голямо значение са явленията с участието на кислорода, които са придружени от отделяне на светлина и топлина. Такива процеси се използват широко в ежедневието и индустрията. В металургията взаимодействието на рудите с кислорода се нарича изпичане. Предварително натрошената руда се смесва с обогатен с кислород въздух. При високи температури металите се редуцират от сулфиди до прости вещества. Така се получава желязо и някои цветни метали. Наличието на чист кислород увеличава скоростта на технологичните процеси в различни клонове на химията, технологиите и металургията.
Появата на евтин метод за получаване на кислород от въздуха чрез разделяне на компоненти при ниска температура стимулира развитието на много областипромишлено производство. Химиците смятат O2 молекулите и O атомите за идеални окислители. Това са естествени материали, те се обновяват постоянно в природата, не замърсяват околната среда. Освен това химичните реакции с участието на кислород най-често завършват със синтеза на друг естествен и безопасен продукт - водата. Ролята на O2 е голяма при неутрализиране на токсични промишлени отпадъци, пречистване на водата от замърсяване. В допълнение към кислорода, за дезинфекция се използва неговата алотропна модификация, озон. Това просто вещество има висока окислителна активност. Когато водата се озонира, замърсителите се разлагат. Озонът има и пагубен ефект върху патогенната микрофлора.
