Всички ние дишаме въздух, който се състои главно от азотни и кислородни молекули с незначителна добавка на други елементи. Следователно кислородът е един от най-важните химични елементи. В допълнение, неговите молекули съществуват в огромно разнообразие от химически съединения, използвани в ежедневието. Сто страници не са достатъчни, за да опишат всички свойства на този елемент, така че ще се ограничим до основните факти от историята, както и основните характеристики на елемента - валентност и степен на окисление на кислорода, специфично тегло, приложение, основни физически свойства.
История на откриването на химичен елемент
Официалната дата за откриването на химичния елемент "кислород" е 1 август 1774 г. Именно на този ден британският химик Дж. Пристли завърши своя експеримент за разлагане на живачен оксид в херметически затворен съд. В края на експеримента ученият получи газ, който поддържа горенето. Това откритие обаче остава незабелязано дори от самите учени. Г-н Пристли смяташе, че е успял да изолира не нов елемент, асъставка на въздуха. Джоузеф Пристли сподели резултатите си с известния френски учен и химик Антоан Лавоазие, който успя да разбере какво не може да направи англичанинът. През 1775 г. Лавоазие успява да установи, че полученият „компонент на въздуха“всъщност е независим химичен елемент и го нарече кислород, което на гръцки означава „образуващи киселини“. Тогава Лавоазие вярва, че кислородът се намира във всички киселини. Впоследствие бяха получени формулите на киселини, които не съдържаха кислородни атоми, но името остана.
Кислород - структурни характеристики на молекулата
Този химичен елемент е безцветен газ, без мирис и вкус. Химическата формула е O2. Химиците наричат обикновения двуатомен кислород или "атмосферен кислород", или "диоксиген".
Молекулата на веществото се състои от два свързани кислородни атома. Има и молекула, състояща се от три атома - O3. Това вещество се нарича озон, повече подробности за него ще бъдат написани по-долу. Молекула с два атома има степен на окисление на кислород -2, тъй като има два несдвоени електрона, способни да образуват ковалентна връзка. Енергията, която се отделя по време на разлагането (дисоциацията) на кислородна молекула в атоми, е 493,57 kJ / mol. Това е доста голяма стойност.
Валентност и степен на окисление на кислород
Под валентността на химичен елемент те означават неговата способност да прикрепя определен брой атоми към себе сидруг химичен елемент. Валентността на кислородния атом е две. Валентността на една кислородна молекула също е равна на две, тъй като два атома са свързани един с друг и имат способността да прикрепят още един атом от друго съединение към структурата си, тоест да образуват ковалентна връзка с него. Например, водната молекула H2O е резултат от образуването на ковалентна връзка между един кислороден атом и два водородни атома.
Кислородът се намира в много от известните химични съединения. Има дори отделен вид химични съединения - оксиди. Това са вещества, получени чрез комбиниране на почти всеки химичен елемент с кислород. Степента на окисление на кислорода в оксидите е -2. Въпреки това, в някои съединения този индикатор може да е различен. Това ще бъде обсъдено по-подробно по-долу.
Физични свойства на кислорода
Обикновеният двуатомен кислород е газ, който е безцветен, без мирис и вкус. В нормално състояние, плътността му е 1,42897 kg/m3. Теглото на 1 литър вещество е малко по-малко от 1,5 грама, тоест в чиста форма кислородът е по-тежък от въздуха. При нагряване молекулата се дисоциира на атоми.
Когато температурата на средата падне до -189,2 оС кислородът променя структурата си от газообразна в течна. Тук се получава кипене. Когато температурата спадне до -218, 35 оС, структурата се променя от течна в кристална. При тази температура кислородът има формата на синкави кристали.
При стайна температура кислородът е слабо разтворим във вода - 31 милилитра кислород на литър от него. Разтворимост с други вещества: 220 ml на 1 литър етанол, 231 ml на 1 литър ацетон.
Химически свойства на кислорода
Цял Талмуд може да бъде написан за химичните свойства на кислорода. Най-важното свойство на кислорода е окисляването. Това вещество е много силен окислител. Кислородът е в състояние да взаимодейства с почти всички познати елементи от периодичната таблица. В резултат на това взаимодействие се образуват оксиди, както беше споменато по-рано. Окислителните състояния на кислорода в съединения с други елементи са основно -2. Пример за такива съединения е вода (H2O), въглероден диоксид (CO2), калциев оксид, литиев оксид и т.н. е определена категория оксиди, наречени пероксиди или пероксиди. Тяхната особеност е, че в тези съединения има пероксидна група "-О-О-". Тази група намалява окислителните свойства на O2, така че степента на окисление на кислорода в пероксида е -1.
В комбинация с активни алкални метали, кислородът образува супероксиди или супероксиди. Пример за такива формации е:
- калиев супероксид (KO2);
- рубидиев супероксид (RbO2).
Техната характеристика е, че степента на окисление на кислорода в супероксидите е -1/2.
В комбинация с най-активния химичен елемент - флуор, се получават флуориди. За тях щеописано по-долу.
Най-високата степен на окисление на кислорода в съединенията
В зависимост от това с кое вещество взаимодейства кислородът, има седем степени на окисление на кислорода:
- -2 - в оксиди и органични съединения.
- -1 - в пероксиди.
- -1/2 - в супероксиди.
- -1/3 - в неорганични озониди (вярно за триатомен кислород - озон).
- +1/2 - в соли на кислородния катион.
- +1 – в кислороден монофлуорид.
- +2 – в кислороден дифлуорид.
Както виждате, най-високата степен на кислородно окисление се постига в оксидите и органичните съединения, а във флуоридите има дори положителна степен. Не всички видове взаимодействия могат да се осъществят естествено. Някои съединения изискват специални условия за образуване, например: високо налягане, висока температура, излагане на редки съединения, които почти никога не се срещат в природата. Помислете за основните съединения на кислорода с други химични елементи: оксиди, пероксиди и флуориди.
Класификация на оксидите по киселинно-основни свойства
Има четири вида оксиди:
- основен;
- киселина;
- неутрален;
- амфотеричен.
Състоянията на окисление на кислорода в съединенията от тези видове са -2.
- Основните оксиди са съединения с метали с ниски степени на окисление. Обикновено при взаимодействие с киселини се получават съответните сол и вода.
- Киселинни оксиди - оксиди на неметали с висока степен на окисление. Когато се добави къмводата образува киселина.
- Неутралните оксиди са съединения, които не реагират нито с киселини, нито с основи.
- Амфотерните оксиди са съединения с метали, които имат ниска стойност на електроотрицателност. Те, в зависимост от обстоятелствата, проявяват свойствата както на киселинни, така и на основни оксиди.
Пероксиди, степента на окисление на кислорода във водороден пероксид и други съединения
Пероксидите са съединения на кислорода с алкални метали. Те се получават чрез изгаряне на тези метали в кислород. Пероксидите на органичните съединения са изключително експлозивни. Те могат да бъдат получени и чрез абсорбция от кислородни оксиди. Примери за пероксиди:
- водороден пероксид (H2O2);
- бариев пероксид (BaO2);
- натриев пероксид (Na2O2).
Всички те са обединени от факта, че съдържат кислородна група -O-O-. В резултат на това степента на окисление на кислорода в пероксидите е -1.
Едно от най-известните съединения с -O-O- групата е водородният прекис. При нормални условия това съединение е бледосиня течност. По своите химични свойства водородният прекис е по-близо до слаба киселина. Тъй като -O-O- връзката в съединението е слабо стабилна, дори при стайна температура, разтвор на водороден прекис може да се разложи на вода и кислород. Това е най-силният окислител, обаче, когато взаимодейства с по-силни окислителни свойстваредуциращият агент притежава само водороден прекис. Степента на окисление на кислорода във водородния пероксид, както и в други пероксиди, е -1.
Други видове пероксиди са:
- супероксиди (супероксиди, в които кислородът има окисление от -1/2);
- неорганични озониди (изключително нестабилни съединения, имащи озон анион в структурата си);
- органични озониди (съединения, имащи -O-O-O- връзка в структурата си).
Флуориди, степен на окисление на кислорода в OF2
Флуорът е най-активният елемент от всички известни в момента. Следователно, когато кислородът реагира с флуор, се получават не оксиди, а флуориди. Те са наречени така, защото в това съединение не кислородът, а флуорът е окислител. Флуоридите не могат да бъдат получени по естествен път. Те се синтезират само чрез извличане чрез свързване на флуор с воден разтвор на КОН. Кислородните флуориди се разделят на:
- кислороден дифлуорид (OF2);
- кислороден монофлуорид (O2F2).
Нека разгледаме по-отблизо всяко от съединенията. Кислородният дифлуорид в своята структура е безцветен газ с изразена неприятна миризма. При охлаждане се кондензира до жълтеникава течност. В течно състояние не се смесва добре с вода, но се справя добре с въздух, флуор и озон. Според химичните си свойства кислородният дифлуорид е много силен окислител. Степента на окисление на кислорода в OF2 е +1, тоест в това съединение флуорът е окислител, а кислородът е редуциращ агент. OF2 много токсичен по отношение на токсичносттанадвишава чистия флуор и се доближава до фосгена. Основната употреба на това съединение е като окислител за ракетно гориво, тъй като кислородният дифлуорид не е експлозивен.
Кислородният монофлуорид обикновено е жълтеникаво твърдо вещество. При разтапяне се образува червена течност. Той е мощен окислител и е изключително експлозивен при взаимодействие с органични съединения. В това съединение кислородът проявява окислителни състояния, равни на +2, тоест в това флуорно съединение кислородът действа като редуциращ агент, а флуорът действа като окислител.
Озон и неговите съединения
Озонът е молекула, която има три кислородни атома, свързани един с друг. В нормалното си състояние това е син газ. При охлаждане образува наситено синя течност, близка до индиго. В твърдо състояние това е тъмносини кристали. Озонът има остра миризма, която естествено може да се усети във въздуха след силна гръмотевична буря.
Озонът, подобно на обикновения кислород, е много силен окислител. По химични свойства се доближава до силни киселини. Когато е изложен на оксиди, озонът повишава степента им на окисление с освобождаването на кислород. Но в същото време степента на окисление на кислорода намалява. В озона химическите връзки не са толкова силни, колкото в O2, следователно, при нормални условия, без усилие, той може да се разложи до кислород с отделянето на топлинна енергия. С повишаване на температурата на въздействието върху молекулата на озона и с намаляване на налягането, процесътразпадането в двуатомен кислород с отделянето на топлина се ускорява. В същото време, ако има високо съдържание на озон в космоса, тогава този процес може да бъде придружен от експлозия.
Тъй като озонът е много силен окислител и в почти всички процеси с негово участие се отделя голямо количество O2, озонът е изключително токсично вещество. Въпреки това, в горните слоеве на атмосферата, озоновият слой действа като рефлектор от слънчевата ултравиолетова радиация.
Озонът се използва за създаване на органични и неорганични озониди с помощта на лабораторни инструменти. Това са много нестабилни вещества в тяхната структура, така че създаването им в естествени условия е невъзможно. Озонидите се съхраняват само при ниски температури, тъй като при нормални температури те са изключително експлозивни и токсични.
Използване на кислород и неговите съединения в индустрията
Поради факта, че по едно време учените научиха каква степен на окисление има кислородът при взаимодействие с други елементи, той и неговите съединения се използват широко в индустрията. Особено след изобретяването на турборазширители в средата на двадесети век - единици, способни да преобразуват потенциалната енергия на кислорода в механична енергия.
Тъй като кислородът е изключително запалимо вещество, той се използва във всички индустрии, където е необходимо използването на огън и топлина. При рязане и заваряване на метали, за укрепване на апарата за пламъчно заваряване се използват и бутилки със сгъстен кислород. Широкаизползването на кислород в стоманодобивната промишленост, където компресиран O2 се използва за поддържане на високи температури в доменните пещи. Максималната степен на окисление на кислорода е -2. Тази негова характеристика се използва активно за производството на оксиди с цел по-нататъшното им изгаряне и освобождаване на топлинна енергия. Течен кислород, озон и други съединения, съдържащи големи количества O2, се използват като окислители на ракетното гориво. Някои органични съединения, окислени с кислород, се използват като експлозиви.
В химическата индустрия кислородът се използва като окислител на въглеводородите в киселинни съединения като алкохоли, киселини и др. В медицината се използва при понижено налягане за лечение на пациенти с белодробни проблеми, за поддържане на тялото жизненоважни функции. В селското стопанство малки дози чист кислород се използват за отглеждане на риба в езера, за увеличаване на дела на добитъка и др.
Кислородът е мощен окислител, без който съществуването е невъзможно
Много е писано по-горе за това кой кислород показва окислителни състояния, когато реагира с различни съединения и елементи, какви видове кислородни съединения съществуват, кои видове са животозастрашаващи и кои не. Едно нещо може да остане неразбираемо – как при цялата си токсичност и високо ниво на окисление кислородът е един от елементите, без които животът на Земята е невъзможен? Факт е, че нашата планета е много балансиран организъм,който се е приспособил точно към онези вещества, които се съдържат в атмосферния слой. Той участва в цикъла, който изглежда така: човек и всички други животни консумират кислород и произвеждат въглероден диоксид, а растенията в преобладаващата си част консумират въглероден диоксид и произвеждат кислород. Всичко в света е взаимосвързано и загубата на една брънка от тази верига може да доведе до прекъсване на цялата верига. Не бива да забравяме за това и да защитаваме живота на планетата като цяло, а не само на отделните й представители.
