Какво е кислород? Кислородни съединения

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Кислородът (O) е неметален химичен елемент от група 16 (VIa) на периодичната таблица. Това е безцветен газ без мирис и вкус, който е от съществено значение за живите организми – животни, които го превръщат във въглероден диоксид и растения, които използват CO₂ като източник на въглерод и връщат O ₂ в атмосферата. Кислородът образува съединения, като реагира с почти всеки друг елемент, а също така измества химическите елементи от свързването един с друг. В много случаи тези процеси са придружени от отделяне на топлина и светлина. Най-важното кислородно съединение е водата.

История на откриването

През 1772 г. шведският химик Карл Вилхелм Шееле за първи път демонстрира кислород чрез нагряване на калиев нитрат, живачен оксид и много други вещества. Независимо от него, през 1774 г. английският химик Джоузеф Пристли открива този химичен елемент чрез термично разлагане на живачен оксид и публикува своите открития през същата година, три години преди публикуването. Шееле. През 1775-1780 г. френският химик Антоан Лавоазие интерпретира ролята на кислорода в дишането и горенето, отхвърляйки общоприетата по онова време теория за флогистона. Той отбеляза склонността му да образува киселини, когато се комбинира с различни вещества и нарече елемента oxygène, което на гръцки означава „произвеждане на киселина“.

Разпространение

Какво е кислород? Съставяйки 46% от масата на земната кора, той е най-често срещаният елемент. Количеството кислород в атмосферата е 21% от обема, а тегловно в морската вода е 89%.

В скалите елементът се комбинира с метали и неметали под формата на оксиди, които са киселинни (например сяра, въглерод, алуминий и фосфор) или основни (соли на калций, магнезий и желязо) и като соли-подобни съединения, които могат да се считат за образувани от киселинни и основни оксиди като сулфати, карбонати, силикати, алуминати и фосфати. Въпреки че са многобройни, тези твърди вещества не могат да служат като източници на кислород, тъй като прекъсването на връзката на елемент с метални атоми е твърде енергоемко.

Функции

Ако температурата на кислорода е под -183 °C, тогава той става бледосиня течност, а при -218 °C - твърдо вещество. Pure O₂ е 1,1 пъти по-тежък от въздуха.

По време на дишането животните и някои бактерии консумират кислород от атмосферата и връщат въглероден диоксид, докато по време на фотосинтеза зелените растения в присъствието на слънчева светлина поглъщат въглероден диоксид и отделят свободен кислород. почтивсички O₂ в атмосферата се произвеждат чрез фотосинтеза.

При 20 °C около 3 обемни части кислород се разтварят в 100 части прясна вода, малко по-малко в морска вода. Това е необходимо за дишането на риби и други морски обитатели.

Естественият кислород е смес от три стабилни изотопа: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037%) и¹⁸O (0,204%). Известни са няколко изкуствено произведени радиоактивни изотопа. Най-дълго живеещият от тях е ¹⁵O (с полуживот от 124 s), който се използва за изследване на дишането при бозайници.

Алотропи

По-ясна представа за това какво е кислород, ви позволява да получите неговите две алотропни форми, двуатомна (O₂) и триатомна (O₃ , озон). Свойствата на двуатомната форма предполагат, че шест електрона свързват атомите и два остават несдвоени, причинявайки кислороден парамагнетизъм. Трите атома в молекулата на озона не са в права линия.

Озонът може да бъде произведен съгласно уравнението: 3O₂ → 2O₃.

Процесът е ендотермичен (изисква енергия); превръщането на озона обратно в двуатомен кислород се улеснява от наличието на преходни метали или техни оксиди. Чистият кислород се превръща в озон чрез светещ електрически разряд. Реакцията протича и при поглъщане на ултравиолетова светлина с дължина на вълната около 250 nm. Възникването на този процес в горните слоеве на атмосферата елиминира радиацията, която може да причиниувреждане на живота на земната повърхност. Острата миризма на озон присъства в затворени пространства с искрящо електрическо оборудване като генератори. Това е светлосин газ. Плътността му е 1,658 пъти по-голяма от тази на въздуха и има точка на кипене от -112°C при атмосферно налягане.

Озонът е силен окислител, способен да превръща серен диоксид в триоксид, сулфид в сулфат, йодид в йод (осигуряващ аналитичен метод за оценката му) и много органични съединения в кислородни производни като алдехиди и киселини. Превръщането на въглеводородите от автомобилните отработени газове в тези киселини и алдехиди от озон е това, което причинява смог. В промишлеността озонът се използва като химичен агент, дезинфектант, пречистване на отпадъчни води, пречистване на вода и избелване на тъкани.

Методи за получаване

Начинът, по който се произвежда кислород, зависи от това колко газ е необходимо. Лабораторните методи са както следва:

1. Термично разлагане на някои соли като калиев хлорат или калиев нитрат:

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂.
2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂.

Разлагането на калиевия хлорат се катализира от оксиди на преходни метали. За това често се използва манганов диоксид (пиролузит, MnO₂). Катализаторът понижава температурата, необходима за отделяне на кислород от 400 до 250°C.

2. Температурно разлагане на метални оксиди:

2HgO → 2Hg +O₂.
2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Шийл и Пристли използваха съединение (оксид) на кислород и живак (II), за да получат този химичен елемент.

3. Термично разлагане на метални пероксиди или водороден пероксид:

2BaO + O₂ → 2BaO₂.
2BaO₂ → 2BaO +O₂.
BaO₂ + H₂SO₄ → H₂ O₂ + BaSO₄.
2H₂O₂ → 2H₂O +O _2.

Първите промишлени методи за отделяне на кислорода от атмосферата или за производство на водороден пероксид зависеха от образуването на бариев пероксид от оксида.

4. Електролиза на вода с малки примеси от соли или киселини, които осигуряват проводимостта на електрическия ток:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Индустриално производство

Ако е необходимо да се получат големи обеми кислород, се използва фракционна дестилация на течен въздух. От основните съставки на въздуха той има най-висока точка на кипене и следователно е по-малко летлив от азота и аргона. Процесът използва охлаждане на газа, докато се разширява. Основните стъпки на операцията са както следва:

въздухът се филтрира за отстраняване на прахови частици;
влагата и въглеродният диоксид се отстраняват чрез абсорбция в алкали;
въздухът се компресира и топлината на компресията се отстранява чрез нормални процедури за охлаждане;
след това влиза в намотката, разположена вкамера;
част от компресирания газ (при налягане от около 200 атм) се разширява в камерата, охлаждайки бобината;
разширеният газ се връща към компресора и преминава през няколко етапа на последващо разширение и компресия, което води до течност при -196 °C въздухът става течен;
течността се нагрява, за да се дестилират първите леки инертни газове, след това азот и остава течен кислород. Многократното фракциониране произвежда продукт, достатъчно чист (99,5%) за повечето промишлени цели.

Индустриална употреба

Металургията е най-големият консуматор на чист кислород за производството на високовъглеродна стомана: отървете се от въглеродния диоксид и други неметални примеси по-бързо и по-лесно, отколкото да използвате въздух.

Пречистването на отпадъчни води с кислород е обещаващо за пречистване на течни отпадъчни води по-ефективно от други химически процеси. Изгарянето на отпадъци в затворени системи с помощта на чист O₂.

. става все по-важно

Така нареченият ракетен окислител е течен кислород. Pure O₂ Използва се в подводници и водолазни камбани.

В химическата промишленост кислородът замени нормалния въздух в производството на вещества като ацетилен, етиленов оксид и метанол. Медицинските приложения включват използването на газа в кислородни камери, инхалатори и бебешки кувьози. Обогатен с кислород анестетичен газ осигурява поддържане на живота по време на обща анестезия. Без този химичен елемент, редицаиндустрии, използващи топилни пещи. Това е кислородът.

Химически свойства и реакции

Високата електроотрицателност и електронен афинитет на кислорода са типични за елементи, които проявяват неметални свойства. Всички кислородни съединения имат отрицателна степен на окисление. Когато две орбитали са запълнени с електрони, се образува йон O^2-. В пероксидите (O₂^2-) се приема, че всеки атом има заряд -1. Това свойство на приемане на електрони чрез пълен или частичен трансфер определя окислителя. Когато такъв агент реагира с вещество донор на електрони, неговото собствено окислително състояние се понижава. Промяната (намаляването) в степента на окисление на кислорода от нула до -2 се нарича редукция.

При нормални условия, елементът образува двуатомни и триатомни съединения. Освен това има силно нестабилни молекули с четири атома. В двуатомна форма два несдвоени електрона са разположени в несвързващи орбитали. Това се потвърждава от парамагнитното поведение на газа.

Интензивната реактивност на озона понякога се обяснява с предположението, че един от трите атома е в "атомно" състояние. Влизайки в реакцията, този атом се дисоциира от O₃, оставяйки молекулен кислород.

Молекулата O₂ е слабо реактивна при нормални температури и налягане на околната среда. Атомният кислород е много по-активен. Енергията на дисоциация (O₂ → 2O) е значителна ие 117,2 kcal на мол.

Връзки

С неметали като водород, въглерод и сяра, кислородът образува широк спектър от ковалентно свързани съединения, включително оксиди на неметали като вода (H₂O), серен диоксид (SO₂) и въглероден диоксид (CO₂); органични съединения като алкохоли, алдехиди и карбоксилни киселини; обичайни киселини като въглеродна (H₂CO₃), сярна (H₂SO4_{) и азот (HNO}3_{); и съответните соли като натриев сулфат (Na}2_SO4_{), натриев карбонат (Na}2 _CO 3_{) и натриев нитрат (NaNO}3_{). Кислородът присъства под формата на йон O}2- ^{в кристалната структура на твърди метални оксиди, като съединението (оксид) на кислорода и калциевия CaO. Металните супероксиди (KO}2_{) съдържат O}2- ^{йон, докато металните пероксиди (BaO2}), съдържат йона O₂_2-. Кислородните съединения имат основно степен на окисление -2.