Все химические реакции с кислородом. Кислород

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кислород - восьмой элемент Периодической таблицы. Обозначение - О от латинского «oxygenium». Расположен во втором периоде, VIА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 8.

Кислород - самый распространенный элемент земной коры. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе, в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы растений и животных. Массовая доля кислорода в земной коре составляет около 47%.

В виде простого вещества кислород представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. Он немного тяжелее воздуха: масса 1 л кислорода при нормальных условиях равна 1,43 г, а 1 л воздуха 1,293г. Кислород растворяется в воде, хотя и в небольших количествах: 100 объемов воды при 0 o С растворяют 4,9, а при 20 o С - 3,1 объема кислорода.

Атомная и молекулярная масса кислорода

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная атомная масса A r - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).

Относительная атомная масса атомарного кислорода равна 15,999 а.е.м.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная молекулярная масса M r - это молярная масса молекулы, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).

Это безразмерная величина.Известно, что молекула кислорода двухатомна - О 2 . Относительная молекулярная масса молекулы кислорода будет равна:

M r (О 2) = 15,999 × 2 ≈32.

Аллотропия и аллотропные модификации кислорода

Кислород может существовать в виде двух аллотропных модификаций - кислорода О 2 и озона О 3 (физические свойства кислорода описаны выше).

При обычных условиях озон - газ. От кислорода его можно отделить сильным охлаждением; озон конденсируется в синюю жидкость, кипящую при (-111,9 o С).

Растворимость озона в воде значительно больше, чем кислорода: 100 объемов воды при 0 o С растворяют 49 объемов озона.

Образование озона из кислорода можно выразить уравнением:

3O 2 = 2O 3 - 285 кДж.

Изотопы кислорода

Известно, что в природе кислород может находиться в виде трех изотопов 16 O (99,76%), 17 O (0,04%) и 18 O (0,2%). Их массовые числа равны 16, 17 и 18 соответственно. Ядро атома изотопа кислорода 16 O содержит восемь протонов и восемь нейтронов, а изотопов 17 O и 18 O- такое же количество протонов,девять и десять нейтронов соответственно.

Существует двенадцать радиоактивных изотопов кислорода с массовыми числами от 12-ти до 24-х, из которых наиболее стабильным является изотоп 15 О с периодом полураспада равным 120 с.

Ионы кислорода

На внешнем энергетическом уровне атома кислорода имеется шесть электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 4 .

Схема строения атома кислорода представлена ниже:

В результате химического взаимодействия кислород может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженные ионы или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженные ионы:

О 0 +2e → О 2- ;

О 0 -1e → О 1+ .

Молекула и атом кислорода

Молекула кислорода состоит из двух атомов - О 2 . Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу кислорода:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Химический элемент кислород может существовать в виде двух аллотропных модификаций, т.е. образует два простых вещества. Оба этих вещества имеют молекулярное строение. Одно из них имеет формулу O 2 и имеет название кислород, т.е. такое же, как и название химического элемента, которым оно образовано.

Другое простое вещество, образованное кислородом, называется озон. Озон в отличие от кислорода состоит из трехатомных молекул, т.е. имеет формулу O 3 .
Поскольку основной и наиболее распространенной формой кислорода является молекулярный кислород O 2 , прежде всего мы рассмотрим именно его химические свойства.

Химический элемент кислород находится на втором месте по значению электроотрицательности среди всех элементов и уступает лишь фтору. В связи с этим логично предположить высокую активность кислорода и наличие у него практически только окислительных свойств. Действительно, список простых и сложных веществ, с которыми может реагировать кислород огромен. Однако, следует отметить, что поскольку в молекуле кислорода имеет место прочная двойная связь, для осуществления большинства реакций с кислородом требуется прибегать к нагреванию. Чаще всего сильный нагрев требуется в самом начале реакции (поджиг) после чего многие реакции идут далее уже самостоятельно без подвода тепла извне.

Среди простых веществ не окисляются кислородом лишь благородные металлы (Ag, Pt, Au), галогены и инертные газы.

Сера сгорает в кислороде с образованием диоксида серы:

Фосфор в зависимости от избытка или недостатка кислорода может образовать как оксида фосфора (V), так и оксид фосфора (III):

Взаимодействие кислорода с азотом протекает в крайне жестких условиях, в виду того что энергии связи в молекулах кислорода и особенно азота очень велики. Также свой вклад в сложность протекания реакции делает высокая электроотрицательность обоих элементов. Реакция начинается лишь при температуре более 2000 o C и является обратимой:

Не все простые вещества, реагируя с кислородом образуют оксиды. Так, например, натрий, сгорая в кислороде образует пероксид:

а калий – надпероксид:

Чаще всего, при сгорании в кислороде сложных веществ образуется смесь оксидов элементов, которыми было образовано исходное вещество. Так, например:

Однако, при сгорании в кислороде азотсодержащих органических веществ вместо оксида азота образуется молекулярный азот N2. Например:

При сгорании в кислороде хлорпроизводных вместо оксидов хлора образуется хлороводород:

Химические свойства серы

Сера как химический элемент может существовать в нескольких аллотропных модификациях. Различают ромбическую, моноклинную и пластическую серу. Моноклинная сера может быть получена при медленном охлаждении расплава ромбической серы, а пластическая напротив получается при резком охлаждении расплава серы, предварительно доведенного до кипения. Пластическая сера обладает редким для неорганических веществ свойством эластичности – она способна обратимо растягиваться под действием внешнего усилия, возвращаясь в исходную форму при прекращении этого воздействия. Наиболее устойчива в обычных условиях ромбическая сера и все иные аллотропные модификации со временем переходят в нее.

Молекулы ромбической серы состоят из восьми атомов, т.е. ее формулу можно записать как S 8 . Однако, поскольку химические свойства всех модификаций достаточно схожи, чтобы не затруднять запись уравнений реакций любую серу обозначают просто символом S.

Сера может взаимодействовать и с простыми и со сложными веществами. В химических реакциях проявлет как окислительные, так и восстановительные свойства.

Окислительные свойства серы проявляются при ее взаимодействии с металлами, а также неметаллами, образованными атомами менее электроотрицательного элемента (водород, углерод, фосфор):

Как восстановитель сера выступает при взаимодействии с неметаллами, образованными более электроотрицательными элементами (кислород, галогены), а также сложными веществами с ярко выраженной окислительной функцией, например, серной и азотной концентрированной кислотами:

Также сера взаимодействует при кипячении с концентрированными водными растворами щелочей. Взаимодействие протекает по типу диспропорционирования, т.е. сера одновременно и понижает, и повышает свою степень окисления.

Земная кора на 50% состоит из кислорода. Элемент также присутствует в составе минералов в виде солей и оксидов. Кислород в связанном виде входит в состав (процентное соотношение элемента около 89%). Также кислород присутствует в клетках всех живых организмов и растений. Кислород находится в воздухе в свободном состоянии в виде О₂ и его аллотропной модификации в виде озона О₃, и занимает пятую часть его состава,

Физические и химические свойства кислорода

Кислород О₂ - это газ без цвета, вкуса и запаха. Слабо растворяется в воде, кипит при температуре (-183) °С. Кислород в виде жидкости имеет голубой цвет, в твердом виде элемент образует синие кристаллы. Кислород плавится при температуре (-218,7) °С.

При нагревании кислород вступает в реакцию с разными простыми веществами (металлами и неметаллами), образуя в результате оксиды - соединения элементов с кислородом. Взаимодействие химических элементов с кислородом называется реакцией окисления. Примеры уравнений реакции:

4Na + О₂= 2Na₂O

S + О₂ = SO₂.

С кислородом вступают во взаимодействие и некоторые сложные вещества, образуя оксиды:

СН₄ + 2О₂= СО₂ + 2Н₂О

2СО + О₂ = 2СО₂

Кислород как химический элемент получают в лабораториях и на промышленных предприятиях. в лаборатории можно несколькими способами:

• разложением (хлората калия);
• разложением перекиси водорода при нагревании вещества в присутствии оксида марганца в роли катализатора;
• разложением перманганата калия.

Химическая реакция горения кислорода

Чистый кислород не обладает особыми свойствами, которых нет у кислорода воздуха, то есть имеет такие же химические и физические свойства. В воздухе кислорода содержится в 5 раз меньше, чем в таком же объеме чистого кислорода. В воздухе кислород перемешан с большими количествами азота - газа, который не горит сам и не поддерживает горение. Поэтому если около пламени кислород воздуха уже израсходован, то следующая порция кислорода будет пробиваться через азот и продукты горения. Следовательно, более энергичное горение кислорода в атмосфере объясняется более быстрой подачей кислорода к месту горения. В ходе реакции процесс соединения кислорода с горящим веществом осуществляется энергичнее и тепла выделяется больше. Чем больше подавать к горящему веществу кислорода в единицу времени, тем ярче горит пламя, выше температура и сильнее идет процесс горения.

Как происходит реакция горения кислорода? Это можно проверить на опыте. Необходимо взять цилиндр и перевернуть его вверх дном, затем подвести под цилиндр трубку с водородом. Водород, который легче воздуха, полностью заполнит цилиндр. Необходимо зажечь водород около открытой части цилиндра и ввести в него сквозь пламя стеклянную трубку, через которую вытекает газообразный кислород. У конца трубки вспыхнет огонь, при этом пламя будет спокойно гореть внутри наполненного водородом цилиндра. В ходе реакции горит не кислород, а водород в присутствии небольшого количества кислорода, выходящего из трубки.

Что возникает в результате горения водорода и какой при этом образуется окисел? Водород окисляется до воды. На стенках цилиндра постепенно осаждаются капельки конденсированных паров воды. На окисление двух молекул водорода идет одна молекула кислорода, и образуется две молекулы воды. Уравнение реакции:

2Н₂ + O₂ → 2Н₂O

Если кислород вытекает из трубки медленно, он сгорает в атмосфере водорода полностью, и опыт проходит спокойно.

Как только подача кислорода увеличивается настолько, что он не успевает сгореть полностью, его часть уходит за пределы пламени, где образуются очаги смеси водорода с кислородом, появляются отдельные, похожие на взрывы, мелкие вспышки. Смесь кислорода с водородом - это гремучий газ.

При поджигании гремучего газа происходит сильный взрыв: когда кислород соединяется с водородом, образуется вода и развивается высокая температура. Пары воды с окружающими газами сильно расширяются, возникает большое давление, при котором может разорваться не только хрупкий цилиндр, но и более прочный сосуд. Поэтому работать с гремучей смесью необходимо крайне осторожно.

Расход кислорода в процессе горения

Для опыта стеклянный кристаллизатор объемом в 3 литра необходимо заполнить на 2/3 водой и добавить столовую ложку едкого натра или едкого калия. Воду подкрасить фенолфталеином или другим подходящим красителем. В небольшую колбочку насыпать песка и вертикально вставить в него проволоку с закрепленной на конце ватой. Колбочка ставится в кристаллизатор с водой. Вата остается выше поверхности раствора на 10 см.

Слегка смочить ватку спиртом, маслом, гексаном или другой горючей жидкостью и поджечь. Аккуратно накрыть горящую ватку 3-литровым бутылем и опустить его ниже поверхности раствора щелочи. В процессе горения кислород переходит в воду и . В результате реакции раствор щелочи в бутыле поднимается. Ватка скоро гаснет. Бутыль следует осторожно поставить на дно кристаллизатора. В теории бутыль должен заполниться на 1/5, так как в воздухе содержится 20.9 % кислорода. При горении кислород переходит в воду и углекислый газ CO₂, поглощаемый щелочью. Уравнение реакции:

2NaOH + CO₂ = Na₂­CO₃ + H₂O

На практике горение прекратится раньше, чем израсходуется весь кислород; часть кислорода переходит в угарный газ, который не поглощается щелочью, а часть воздуха в результате термического расширения покидает бутыль.

Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!

Физические свойства. При обычных условиях кислород — газ без цвета и запаха, слаборастворимый в воде (в 1 объеме воды при 0 град. С растворяется 5, а при 20 град. С — 3 объема кислорода). В других растворителях его растворимость также незначительна.

При атмосферном давлении кислород сжижается при -183 град. С, а затвердевает при -219 град. С. В жидком и твердом состояниях кислород окрашен в голубой цвет, он обладает магнитными свойствами.

Химические свойства. Кислород относится к активным неметаллам. Во всех соединениях, кроме соединений с фтором и пероксидов, он имеет степень окисления -2, (в соединениях с фтором кислород проявляет степень окисления +2, а в пероксидных соединениях степень его окисления равна -1 или даже дробному числу. Это объясняется тем, что в пероксидах 2 или несколько атомов кислорода соединены друг с другом).

Кислород взаимодействует со всеми металлами, за исключением золота и платиновых металлов (кроме осмия), образуя оксиды:

2 Мg + О 2 = 2 MgО (оксид магния);

4 Аl + 3 О 2 = 2 Аl 2 O 3 (оксид алюминия).

Ряд металлов, кроме основных оксидов, образует амфотерные (ZnО, Сr 2 О 3 , Аl 2 О 3 и др.) и даже кислотные (СrО 3 , Мn 2 О 7 и др.) оксиды.

Он взаимодействует также со всеми, кроме галогенов, неметаллами, образуя кислотные или несолеобразующие (индифферентные) оксиды:

S + О 2 = SО 2 (оксид серы (IV));

4 Р + 5 O 2 = 2 Р 2 О 5 (оксид фосфора (V));

N 2 + О 2 = 2 NО (оксид азота (II)).

Оксиды золота и платиновых металлов получают разложением их (гидроксидов, а кислородные соединения галогенов — осторожным обезвоживанием их кислородсодержащих кислот).

В кислороде и на воздухе легко окисляются (сгорают или тлеют) многие неорганические и органические вещества. Из неорганических веществ, кроме металлов и неметаллов, с кислородом реагируют все соединения металлов с неметаллами, за исключением хлоридов и бромидов:

СаН 2 + O 2 = СаО + Н 2 О;

2 ZnS + 3 O 2 = 2 ZnО + 2 SO 2 ;

Мg 3 Р 2 + 4 O 2 = Мg 3 (РО 4) 2 ;

Са 2 Si + 2 O 2 = Са 2 SiО 4 ;

4 КI + O 2 + 2 Н 2 О = 4 КОН + I 2 .

Из органических соединений с кислородом взаимодействуют почти все, кроме полностью фторированных углеводородов (фреонов), а также хлор- и бромпроизводных с большим содержанием хлора или брома (хлороформ, тетрахлорид углерода, полихлорэтаны и аналогичные бромпроизводные):

С 3 Н 8 + 5 O 2 = 3 СО 2 + 4 Н 2 О;

2 С 2 Н 5 ОН + O 2 = 2 СН 3 СНО + 2 Н 2 О;

2 СН 3 СНО + О 2 = 2 СН 3 СООН;

C 6 Н 12 О 6 + 6 O 2 = 6 СО 2 + 6 Н 2 О;

2 C 6 H 6 + 15 O 2 = 12 СО 2 + 6 Н 2 О.

В атомарном состоянии кислород более активен, чем в молекулярном. Это свойство используют для отбеливания различных материалов (легче разрушаются окрашивающие органические вещества). В молекулярном состоянии кислород может существовать в виде кислорода (O 2) и озона (O 3), т. е. для него характерно явление аллотропии.

При и резке металла осуществляется высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа или паров жидкости в смеси с технически чистым кислородом.

Кислород является самым распространенным элементом на земле , встречающимся в виде химических соединений с различными веществами: в земле - до 50% по массе, в соединении с водородом в воде - около 86% по массе и в воздухе - до 21% по объему и 23% по массе.

Кислород при нормальных условиях (температура 20°С, давление 0,1 МПа) - это бесцветный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С масса 1 м 3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении - 1,33 кг.

Кислород имеет высокую химическую активность , образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества теплоты, т. е. носят экзотермический характер.

При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами.

Всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры.

Отмеченные особенности кислорода следует всегда иметь в виду при использовании его в процессах газопламенной обработки.

Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем их объемном содержании: азота - 78,08%, кислорода - 20,95%, аргона-0,94%, остальное - углекислый газ, закись азота и др. Кислород получают разделением воздуха на кислород и методом глубокого охлаждения (сжижения), попутно идет отделение аргона, применение которого при непрерывно возрастает. Азот применяют как защитный газ при сварке меди.

Кислород можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт при производстве чистого водорода.

В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6-20 МПа и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения, разница в температурах сжижения кислорода и азота составляет 13°С, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе.

Жидкий чистый кислород накапливается в воздухоразделительном аппарате, испаряется и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа.

Технический кислород транспортируют также по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде - в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.

Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм 3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм 3 газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на транспортировку и хранение баллонов.

Для сварки и резки по -78 технический кислород выпускается трех сортов:

• 1-й - чистотой не менее 99,7%
• 2-й - не менее 99,5%
• 3-й - не менее 99,2% по объему

Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше содержится в нем газовых примесей, тем выше скорость реза, чище и меньше расход кислорода.