Разделы: Химия

«Свободный кислород – самый могущественный деятель из всех известных нам химических тел земной коры».
В.И.Вернадский

Цели и задачи :

Знать значение кислорода
Знать историю открытия кислорода
Знать свойства кислорода и его применение
Уметь давать характеристику кислороду как химическому элементу и как простому веществу.
Уметь составлять уравнения реакций взаимодействия кислорода с металлами и неметаллами.
Закрепить умения расстановки коэффициентов в уравнениях реакций.

Оборудование и реактивы :

Для опыта «Получение кислорода разложением пероксида водорода в присутствии катализатора»: металлический штатив, перекись водорода (3%-ный раствор), оксид марганца (IV), колба, воронка с краном, газоотводная трубка, химический стаканчик для собирания кислорода методом вытеснения воздуха, лучинка, спички.

Для опыта «Несгораемый платок»: спирт, вода, щипцы, носовой платок, два маленьких кристаллизатора, спички.

Т.С.О.

Коллекция «Минералы»
Справочник по минералогии
Компьютер, мультимедиа-приставка.
Презентация урока с использованием материалов «Образовательной коллекции» (Приложение 1 )
Таблица «Кислород в природе»

Ход урока

1) Значение кислорода

(слайды 3-4)

Кислород – это сознание человека. Он особенно необходим мозгу. Клетки мозга разлагаются и умирают без кислорода гораздо быстрее других клеток организма.

62% массы человека – это масса всех атомов кислорода, входящих в состав тела.

Кислород входит в состав органических соединений: белков, жиров, углеводов, витаминов, ферментов, гормонов.

Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива.

2) Характеристика кислорода как химического элемента

(слайды 5-8)

Химический знак – О,
латинское название – Оxygenium,
А r (O) = 16;
валентность – II,
степень окисления в соединениях: – 2;
содержание в земной коре – I место – более 49% ,
самые распространённые оксиды: оксид водорода (вода) – H 2 O, оксид кремния – SiO 2 , оксид алюминия – Al 2 O 3 .

Демонстрация минералов:

кварц – SiO 2 – эту устойчивую при низких температурах модификацию обычно называют просто кварцем; происхождение названия остается неизвестным. Кварц является одним из наиболее распространенных в земной коре.
аметист –SiO 2
горный хрусталь – SiO 2
агат – SiO 2
рубин – А l 2 О 3 – одна из разновидностей корунда
изумруд – Be 3 Al 2 [ Si 6 O 18 ] – одна из разновидностей берилла. Химический состав:SiO 2 66,9%.Al 2 O 3 19,0 %, BeO 14,1%, в виде примесей содержатся Na 2 O, K 2 O, Li 2 O , иногда Rb 2 O, Cs 2 O .
александрит – BeAl 2 O 4 – р азновидность хризоберилла "хризос" по гречески – золото. Химический состав. Al 2 O 3 80,2 %. BeO 19,8 %, Всегда присутствуют примеси: FeO (3,5-6%), иногда TiO 2 (до 3%) и Cr 2 O 3 (до 0,4%), с чем связана окраска александрита. Цветалександрита изумрудно-зеленый, а при электрическом освещении – фиолетово-красный.

3) Характеристика кислорода как простого вещества

Химическая формула – О 2 , M r =32; М = 32 г / моль.
В составе атмосферы около 21 % кислорода, (1/5 часть).
Ежегодно в результате фотосинтеза в атмосферу Земли поступает 3000 млрд. тонн кислорода.
Основные поставщики кислорода – тропические леса и фитопланктон океана.
Человек в сутки вдыхает примерно 750 литров кислорода.
Полное прохождение атмосферного кислорода через систему биологического круговорота составляет 2000 лет!

4) Физические свойства кислорода

(слайд 10)

бесцветный газ, без вкуса, без запаха,
малорастворим в воде,
немного тяжелее воздуха, (М возд. = 29 г/моль)
t сжижения = -183°C, голубая жидкость,
t замерзания = -218,8°C, синие кристаллы,

5) История открытия кислорода

(слайды 11-14)

Древние греки: «Воздух – сложное тело».
VIII век, Китай, Мао Хоа: «Воздух состоит из «полного воздуха» (азота) и «неполного воздуха» (кислорода).
Карл Шееле, Швеция, опыты с 1768 по 1773: «Исследования воздуха являются в настоящее время важнейшим предметом химии». Получил кислород при нагревании селитры.
1772 год: «Атмосферный воздух состоит из двух частей: «огненный воздух» – поддерживает дыхание и горение, «испорченный воздух» – не поддерживает горения».
Джозеф Пристли, Англия, 1774 год: «Но что поразило меня больше всего – это то, что свеча горела в этом воздухе удивительно блестящим пламенем».
При нагревании оксида ртути Дж.Пристли получил бесцветный газ, который мало растворялся в воде и поддерживал горение свечи.
Антуан Лоран Лавуазье, Франция, 1777 год
Подлинная природа этого газа была установлена во Франции: Лавуазье выяснил, что кислород - простое вещество и какую роль он играет в процессах окисления. Название Oxygenium – «рождающий кислоту», предложено Лавуазье.

6) Получение в лаборатории

Демонстрационный опыт (слайд 15): получить кислород способом разложения перманганата калия при нагревании; собрать его методом вытеснения воздуха, подтвердить наличие кислорода тлеющей лучинкой:

2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Демонстрационный опыт: получить кислород способом разложения перекиси водорода в присутствии катализатора оксида марганца (IV); собрать его методом вытеснения воды, подтвердить наличие кислорода тлеющей лучинкой:

2 H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

7) Получение в промышленности

сжижение воздуха.

8) Химические свойства кислорода

(слайд 16)

облегчает дыхание;
поддерживает горение;
повышает температуру пламени;
ускоряет химические реакции;

Где и как человек использует эти свойства кислорода?

взаимодействует с металлами (слайды 17-19)

Записать уравнения реакций, расставить коэффициенты, назвать образующиеся вещества. Что такое оксиды?

Оксиды – бинарные соединения металлов и неметаллов с кислородом. На первом месте в формуле оксида пишут химический знак элемента, на втором – химический знак кислорода.

4Fe + 3O 2 =2Fe 2 O 3

3Fe + 2O 2 =Fe 3 O 4

2Mg + O 2 = 2MgO

Fe 2 O 3 – оксид железа (III), FeO - оксид железа (II), (Fe 2 O 3 и FeO) – Fe 3 O 4 – железная окалина, MgO – оксид магния.

взаимодействует с неметаллами; (слайды 20-21)

Записать уравнения реакций, расставить коэффициенты, назвать образующиеся вещества

4P + 5O 2 = 2 P 2 O 5

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

взаимодействует со сложными веществами, (слайд 22) демонстрационный опыт: «несгораемый платок»:

C 2 H 6 O + 3O 2 = 2CO 2 + 3H 2 O

Реакции взаимодействия простых и сложных веществ с кислородом называются реакциями окисления.

9) Закрепление изученного материала

(слайды 23-25)

(химический тест):

Кто назвал кислород «огненным», а азот « испорченным» воздухом?

Какие вещества образует химический элемент кислород?
А) только простые вещества, В) простые и сложные вещества, С) только сложные вещества.

Как называются бинарные соединения, молекулы которых образованы атомами какого-либо химического элемента и кислорода:
А) сульфиды, В) хлориды, С) оксиды.

В 1774 году один учёный после проведённого эксперимента написал: «Но что поразило меня больше всего – это то, что свеча горела в этом воздухе удивительно блестящим пламенем…» Это был:
А) Лавуазье, В) Пристли, С) Шееле.

Название «Оxygenium» предложил:
А) Лавуазье, В) Пристли, С) Шееле.

Кислород в воде:
А) хорошо растворим, В)малорастворим, С)вообще не растворяется.

При вдувании кислорода в пламя температура пламени:
А) не изменяется, В) понижается, С) повышается.

Оксид железа (III) имеет формулу:
А) Fe 2 O 3 , В) FeO, С) FeO 2 .

В каком уравнении коэффициенты расставлены правильно:
А) 2P + O 2 = P 2 O 5 ; В) 2P + 5O 2 = P 2 O 5 , С) 4P + 5O 2 = 2P 2 O 5

В каком ряду все три формулы написаны правильно:
А) P 2 O 5 , Al 2 O, H 2 O; В) MgO, Al 2 O 3 , CO 2 ; С) CO 2 , FeO 2 , P 2 O 5

Проверка диктанта. (слайд 26-27)

Номер вопроса	Буква ответа	Правильно + Неправильно -
1	С
2	В
3	С
4	В
5	А
6	В
7	С
8	А
9	С
10	В

Итого:
Оценка:

Критерии оценки:

«5» – 10-9 правильных ответов
«4» – 8-7 правильных ответов
«3» – 6-5 правильных ответов

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 OF 2 и O 2 F 2 .

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 16 О, 17 О и 18 О (преобладает 16 О). 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 км 3 (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 О 2 и озона О 3 .

Строение молекулы озона

3О 2 = 2О 3 – 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 О 2 менее активен, чем озон. Электроотрицательность кислорода 3,5.

Физические свойства кислорода

O 2 – газ без цвета, запаха и вкуса, т.пл. –218,7 °С, т.кип. –182,96 °С, парамагнитен.

Жидкий O 2 голубого, твердый – синего цвета. O 2 растворим в воде (лучше, чем азот и водород).

Получение кислорода

1. Промышленный способ — перегонка жидкого воздуха и электролиз воды:

2Н 2 О → 2Н 2 + О 2

2. В лаборатории кислород получают:
1.Электролизом щелочных водных растворов или водных растворов кислородосодержащих солей (Na 2 SO 4 и др.)

2. Термическим разложением перманганата калия KMnO 4:
2KMnO 4 = K 2 MnO4 + MnO 2 + O 2 ,

Бертолетовой соли KClO 3:
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (катализатор MnO 2)

Оксида марганца (+4) MnO 2:
4MnO 2 = 2Mn 2 O 3 + O 2 (700 o C),

3MnO 2 = 2Mn 3 O 4 + O 2 (1000 o C),

Пероксид бария BaO 2:
2BaO 2 = 2BaO + O 2

3. Разложением пероксида водорода:
2H 2 O 2 = H 2 O + O 2 (катализатор MnO 2)

4. Разложение нитратов:
2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2

На космических кораблях и подводных лодках кислород получают из смеси K 2 O 2 и K 2 O 4:
2K 2 O 4 + 2H 2 O = 4KOH +3O 2
4KOH + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 2H 2 O

Суммарно:
2K 2 O 4 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3О 2

Когда используют K 2 O 2 , то суммарная реакция выглядит так:
2K 2 O 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + O 2

Если смешать K 2 O 2 и K 2 O 4 в равномолярных (т.е. эквимолярных) количествах, то на 1 моль поглощенного СО 2 выделится один моль О 2.

Химические свойства кислорода

Кислород поддерживает горение. Горение — б ыстрый 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 2s 2 2p 4 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 + O 2 → 2Li 2 O,

2K + O 2 → K 2 O 2 ,

2Ca + O 2 → 2CaO,

2Na + O 2 → Na 2 O 2 ,

2K + 2O 2 → K 2 O 4

Мелкий порошок железа (так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe 2 O 3 , а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:

3 Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

2Mg + O 2 → 2MgO

2Cu + O 2 → 2CuO

С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:

S + O 2 → SO 2 ,

C + O 2 → CO 2 ,

2H 2 + O 2 → H 2 O,

4P + 5O 2 → 2P 2 O 5 ,

Si + O 2 → SiO 2 , и т.д

Почти все реакции с участием кислорода O 2 экзотермичны, за редким исключением, например:

N 2 + O 2 → 2NO – Q

Эта реакция протекает при температуре выше 1200 o C или в электрическом разряде.

Кислород способен окислить сложные вещества, например:

2H 2 S + 3O 2 → 2SO 2 + 2H 2 O (избыток кислорода),

2H 2 S + O 2 → 2S + 2H 2 O (недостаток кислорода),

4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O (без катализатора),

4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O (в присутствии катализатора Pt),

CH 4 (метан) + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O,

4FeS 2 (пирит) + 11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 .

Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O 2 + , например, O 2 + — (успешный синтез этого соединения побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).

Озон

Озон химически более активен, чем кислород O 2 . Так, озон окисляет иодид - ионы I — в растворе Kl:

O 3 + 2Kl + H 2 O = I 2 + O 2 + 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 O 2: 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 О 3: для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.

§ 27. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА. РЕАКЦИЯ СОЧЕТАНИЯ

Изучение параграфа поможет вам:

· называть состав и приводить примеры оксидов;

· характеризовать химические свойства кислорода;

· составлять уравнения реакций с участием кислорода;

· различать реакции разложения и соединения;

· объяснять сущность реакций соединения

Вам известно, что химические свойства веществ-это их способность взаимодействовать с другими веществами. Взаимодействие завершается тем, что из структурных частиц, которые входили в состав реагентов, образуются структурные частицы продуктов реакции. При участии кислорода такие процессы происходят со многими простыми, а также сложными веществами. Это дает основания для того, чтобы назвать кислород активным веществом.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КИСЛОРОДА С ПРОСТЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ.

1. Взаимодействие я углеродом. Раскалите на пламени спиртовки уголек и внесем ее в наполненную кислородом колбу. Уголек быстро сгорает, не образуя копоти и дыма (рис. 87, а), а стенки колбы нагреваются. Нальем в колбу известковой воды, она помутнеет. А это доказывает, что в колбе, где раньше содержался кислород, появился углекислый газ.

Выделение света и тепла свидетельствуют о том, что произошло горение, которое относится к химическим явлениям:

С + О 2 = СО 2 - углекислый газ, или карбон(IV) оксид (1)

2. Взаимодействие с водородом. К наполненной водородом сухой пробирки возведем зажженную спичку. Сразу услышим приглушенный хлопок. Это потому, что водород реагирует с кислородом мгновенно - со взрывом. Появление на стенках сухой пробирки капелек воды - убедительное доказательство образования этого вещества:

2H 2 + O 2 = 2H 2 О - вода, или гидроген оксид (2)

3. Взаимодействие с серой. Наполним ложечку для сжигания веществ на 1/3 серой, внесем в пламя спиртовки и потримаймо, пока сера не расплавится и не начнет гореть. После этого внесем ложечку в колбу с кислородом. Сера сразу вспыхивает ярким синим пламенем, колба наполняется сернистым газом (рис. 87, б):

S + O 2 = SO 2 - сернистый газ, или сульфур (IV) оксид (3)

Эту реакцию сопровождает появление резкого специфического запаха сернистого газа.

4. Взаимодействие с магнием. Подожжем магниевую ленту, и она быстро сгорит ярко-ослепительным пламенем:

2Mg + O 2 = 2MgO магний оксид (4)

Видимой нам признаком этой химической реакции является появление света.

5. Взаимодействие с железом. Попробуем, подобно магния, сжечь тоненькую железную иглу. Сделать это в воздухе нам не удастся. Проверим, сгорит игла в колбе, наполненной кислородом. Для безопасного проведения опыта дно колбы покроем слоем песка. Устромимо тоненькую иглу той ее частью, где расположено ушко, в деревянную палочку и на острие иглы наколемо спичку. Сразу после поджигания спички медленно внесем иглу в колбу с кислородом. Железо быстро загорается, образованный продукт реакции яркими искрами, напоминающими новогодние бенгальские огни, разлетается в разные стороны (рис. 87, в). От иглы остается маленькая оплавлена шарик в месте ее закрепления. Стенки колбы нагреваются. Это химическое явление передается следующим уравнением реакции:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 железная окалина (б)

Реакция сопровождается выделением света и тепла.

6. Взаимодействие с медью. Медную пластинку подержим несколько минут над пламенем спиртовки. Будем наблюдать, как вместо красно-медного цвета появляется черный:

2Си + O 2 = 2СиО - купрум(II) оксид (в)

Реакция сопровождается изменением цвета.

ПОНЯТИЕ О ОКСИДАХ. Во всех только что рассмотренных реакциях образовывались бинарные соединения элемента с Оксигеном - оксиды.

До простых или сложных веществ относятся оксиды? Ответ объясните.

Рис. 87. Горение в кислороде угля (а), серы (6) и железа (в)

Вы уже знаете, что оксидами называют бинарные соединения элементов с Оксигеном и умеете определять валентность химического элемента в оксиде. Вспомнить это можно обратившись к параграфу 18.

Продукт взаимодействия железа с кислородом - железная окалина Fe 3 O 4 - особая бинарная соединение Кислорода. Она образована из двух оксидов - FeO и Fe 2 O 3 .

Определите по формулам обоих оксидов. в каком из них металлический элемент Ферум двовалентний, а в каком - трехвалентный.

РЕАКЦИЯ СОЧЕТАНИЯ. В каждом из шести рассмотренных примеров общим было то, что из двух веществ образовывалась одна. Такие реакции относятся к реакциям соединения.

Реакции, в результате которых из двух или более веществ образуется одно вещество, называют реакциями соединения.

Чтобы после рассмотренных примеров у вас не сложилось впечатление, что сочетаться могут только простые вещества, приведем примеры уравнений реакций сочетание сложного и простого вещества; двух сложных веществ:

2СО + О 2 = 2СО 2 (7)

Na 2 O + ЅО 3 = Nа 3 SO 4 - натрий сульфат (8)

Как видим, главным для реакций сочетания является то, что образуется один продукт реакции, а реагенты могут быть и сложными, и простыми веществами, но их непременно должно быть два или больше.

Обобщим изученное:

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КИСЛОРОДА СО СЛОЖНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ. Взаимодействие с метаном. Каждый раз, зажигая газовую плиту, люди осуществляют химическую реакцию между метаном СН 4 (основная составная часть природного газа) и кислородом:

Это химическое явление сопровождается двумя физическими явлениями световым и тепловым. Во время его течения содержание кислорода в помещении кухни уменьшается, а углекислого газа, наоборот, увеличивается. Поэтому правильно поступают те, кто проветривает кухню, держит открытой форточку, устанавливает электрические вытяжки.

Взаимодействие кислорода с гидроген сульфидом H 2 S. сульфид водорода, или сероводород, также сгорает в кислороде. За достаточного количества кислорода реакция сопровождается образованием уже известного вам сернистого газа и воды:

2Н 2 S + 3О 2 = 2 ЅО 2 + 2Н 2 О (10)

Полное окисление глюкозы C 6 Н 12 О 6 . Уже одно то, что без дыхания человек может прожить не более 5-7 минут, наводит на мысль о чрезвычайной важности кислорода для организма. А задумывались ли вы над тем, какие функции кислорода в нашем организме? Ведь его суточная норма не такая уж и мала - около 700 г.

Ученые исследовали, что с участием кислорода в организме происходит много реакций. В частности глюкоза, которая поступает в организм человека с продуктами питания, тоже реагирует с кислородом. Взаимодействие происходит в присутствии ферментов (катализаторов) и завершается образованием углекислого газа и воды. Это можно выразить следующим суммарным уравнением реакции:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О (11)

Во всех рассмотренных примерах независимо от того, простое или сложное вещество взаимодействует с кислородом, образуются оксиды тех элементов, которые входили в состав реагентов. Однако, при неполной взаимодействии сложного вещества с кислородом может образоваться и простое вещество. Например, рассмотренное выше взаимодействие кислорода с гидроген сульфидом Н 2 S может происходить с образованием серы и воды, если кислорода взято с недостачей:

2Н 2 S + O 2 = 2S + 2Н 2 О (12)

Кислород принадлежит к активных веществ. Он легко вступает во взаимодействие с простыми и сложными веществами. Продуктами этих реакций являются оксиды.

Копилка эрудита

В начале параграфа было сказано, что большинство простых веществ взаимодействует с кислородом. Примерами металлов, которые не входят в это большинство, есть золото Au, платина Pt, поэтому их называют благородными металлами. Среди неметаллов «безразличие», или инертность, к кислороду проявляют гелий Не, неон Ne, аргон Аг, криптон Кг, ксенон Хе и радон Rn. Поэтому эти газообразные вещества имеют общее название инертные газы.

Долгое время в науке считалось, что инертные газы не взаимодействуют ни с какими веществами. Однако за последние полвека удалось добыть некоторые их соединения, в том числе и с Оксигеном, правда не за реакцией сочетания инертного газа с кислородом, а другими способами.

1. Из чего состоят оксиды? Приведите примеры оксидов.

2. Охарактеризуйте химические свойства кислорода.

3. Какие реакции называют реакциями соединения? Приведите примеры.

4. В чем заключается различие между химическими реакциями разложения и соединения?

5. Выпишите из текста параграфа формулы и названия веществ, которые для вас являются новыми.

6. По формулам оксидов, имеющиеся в тексте параграфа, определите, какой из них имеет наименьшую, а какой - наибольшую массовую долю Кислорода.

7. По приведенным схемам напишите уравнения реакций:

а) Ва + О 2 -> ВаО

б) PbS + О 2 -> РbО + SO 2

в) Си + O 2 -> СиО

г) HgS + O 2 -> Hg + SO 2

8. Напишите уравнения реакций кислорода с:

а) амоніаком NH3, если в образовавшемся оксиде валентность Азота равна 2;

6) цинк сульфидом ZnS, если в образовавшемся оксиде валентность Серы равна IV.

Выясните расположение инертных газов в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

Кислород находится во втором периоде VI-ой главной группы устаревшего короткого варианта периодической таблицы. По новым стандартам нумерации — это 16-я группа. Соответствующее решение принято ИЮПАК в 1988 году. Формула кислорода как простого вещества — О 2 . Рассмотрим его основные свойства, роль в природе и хозяйстве. Начнем с характеристики всей группы которую возглавляет кислород. Элемент отличается от родственных ему халькогенов, а вода отличается от водородных селена и теллура. Объяснение всем отличительным чертам можно найти, только узнав о строении и свойствах атома.

Халькогены — родственные кислороду элементы

Сходные по свойствам атомы образуют одну группу в периодической системе. Кислород возглавляет семейство халькогенов, но отличается от них по ряду свойств.

Атомная масса кислорода — родоначальника группы — составляет 16 а. е. м. Халькогены при образовании соединений с водородом и металлами проявляют свою обычную степень окисления: -2. Например, в составе воды (Н 2 О) окислительное число кислорода равно -2.

Состав типичных водородных соединений халькогенов отвечает общей формуле: Н 2 R. При растворении этих веществ образуются кислоты. Только водородное соединение кислорода — вода — обладает особыми свойствами. Согласно выводам ученых, это необычное вещество является и очень слабой кислотой, и очень слабым основанием.

Сера, селен и теллур имеют типичные положительные степени окисления (+4, +6) в соединениях с кислородом и другими неметаллами, обладающими высокой электроотрицательностью (ЭО). Состав оксидов халькогенов отражают общие формулы: RO 2 , RO 3 . Соответствующие им кислоты имеют состав: H 2 RO 3 , H 2 RO 4 .

Элементам соответствуют простые вещества: кислород, сера, селен, теллур и полоний. Первые три представителя проявляют неметаллические свойства. Формула кислорода — О 2 . Аллотропное видоизменение того же элемента - озон (О 3) . Обе модификации являются газами. Сера и селен — твердые неметаллы. Теллур — металлоидное вещество, проводник электрического тока, полоний — металл.

Кислород — самый распространенный элемент

Мы уже знаем, что есть другая разновидность существования того же самого химического элемента в форме простого вещества. Это озон — газ, образующий на высоте около 30 км от поверхности земли слой, часто называемый озоновым экраном. Связанный кислород входит в молекулы воды, в состав многих горных пород и минералов, органических соединений.

Строение атома кислорода

Периодическая таблица Менделеева содержит полную информацию о кислороде:

Порядковый номер элемента — 8.
Заряд ядра — +8.
Общее число электронов — 8.
Электронная формула кислорода — 1s 2 2s 2 2p 4 .

В природе встречаются три стабильных изотопа, которые имеют одинаковый порядковый номер в таблице Менделеева, идентичный состав протонов и электронов, но разное число нейтронов. Обозначаются изотопы одним и тем же символом — О. Для сравнения приведем схему, отражающую состав трех изотопов кислорода:

Свойства кислорода — химического элемента

На 2р-подуровне атома имеются два неспаренных электрона, что объясняет появление степеней окисления -2 и +2. Два спаренных электрона не могут разъединиться, чтобы степень окисления возросла до +4, как у серы и других халькогенов. Причина — отсутствие свободного подуровня. Поэтому в соединениях химический элемент кислород не проявляет валентность и степень окисления, равные номеру группы в коротком варианте периодической системы (6). Обычное для него окислительное число равно -2.

Только в соединениях с фтором кислород проявляет нехарактерную для него положительную степень окисления +2. Значение ЭО двух сильных неметаллов отличается: ЭО (О) = 3,5; ЭО (F) = 4. Как более электроотрицательный химический элемент, фтор сильнее удерживает свои электроны и притягивает валентные частицы на атома кислорода. Поэтому в реакции с фтором кислород является восстановителем, отдает электроны.

Кислород — простое вещество

Английский исследователь Д. Пристли в 1774 году в ходе опытов выделил газ при разложении оксида ртути. Двумя годами ранее это же вещество в чистом виде получил К. Шееле. Лишь спустя несколько лет французский химик А. Лавуазье установил, что за газ входит в состав воздуха, изучил свойства. Химическая формула кислорода — О 2 . Отразим в записи состава вещества электроны, участвующие в образовании неполярной ковалентной связи — О::О. Заменим каждую связывающую электронную пару одной чертой: О=О. Такая формула кислорода наглядно показывает, что атомы в молекуле связаны между двумя общими парами электронов.

Выполним несложные расчеты и определим, чему равна относительная молекулярная масса кислорода: Mr(O 2) = Ar(O) х 2 = 16 х 2 = 32. Для сравнения: Mr(возд.) = 29. Химическая формула кислорода отличается от на один атом кислорода. Значит, Mr(O 3) = Ar(O) х 3 = 48. Озон в 1,5 раза тяжелее кислорода.

Физические свойства

Кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха (при обычной температуре и давлении, равном атмосферному). Вещество немного тяжелее воздуха; растворяется в воде, но в небольших количествах. Температура плавления кислорода является отрицательной величиной и составляет -218,3 °C. Точка, в которой жидкий кислород вновь превращается в газообразный, — это его температура кипения. Для молекул О 2 значение этой физической величины достигает -182,96 °C. В жидком и твердом состоянии кислород приобретает светло-синюю окраску.

Получение кислорода в лаборатории

При нагревании кислородосодержащих веществ, например перманганата калия, выделяется бесцветный газ, который можно собрать в колбу или пробирку. Если внести в чистый кислород зажженную лучину, то она горит более ярко, чем в воздухе. Два других лабораторных способа получения кислорода - разложение пероксида водорода и хлората калия (бертолетовой соли). Рассмотрим схему прибора, который применяется для термического разложения.

В пробирку или круглодонную колбу надо насыпать немного бертолетовой соли, закрыть пробкой с газоотводной трубочкой. Ее противоположный конец следует направить (под водой) в опрокинутую вверх дном колбу. Горлышко должно быть опущено в широкий стакан или кристаллизатор, наполненный водой. При нагревании пробирки с бертолетовой солью выделяется кислород. По газоотводной трубке он поступает в колбу, вытесняя из нее воду. Когда колба наполнится газом, ее закрывают под водой пробкой и переворачивают. Полученный в этом лабораторном опыте кислород можно использовать для изучения химических свойств простого вещества.

Горение

Если в лаборатории проводится сжигание веществ в кислороде, то нужно знать и соблюдать противопожарные правила. Водород мгновенно сгорает в воздухе, а смешанный с кислородом в соотношении 2:1, он взрывоопасен. Горение веществ в чистом кислороде происходит намного интенсивнее, чем в воздухе. Объясняется это явление составом воздуха. Кислород в атмосфере составляет чуть больше 1/5 части (21%). Горение — это реакция веществ с кислородом, в результате которой образуются разные продукты, в основном оксиды металлов и неметаллов. Пожароопасны смеси О 2 с горючими веществами, кроме того, получившиеся соединения могут быть токсичными.

Горение обычной свечки (или спички) сопровождается образованием диоксида углерода. Следующий опыт можно провести в домашних условиях. Если сжигать вещество под стеклянной банкой или большим стаканом, то горение прекратится, как только израсходуется весь кислород. Азот не поддерживает дыхание и горение. Углекислый газ — продукт окисления — больше не вступает в реакцию с кислородом. Прозрачная позволяет обнаружить присутствие после горения свечи. Если пропускать продукты горения через гидроксид кальция, то раствор мутнеет. Происходит химическая реакция между известковой водой и углекислым газом, получается нерастворимый карбонат кальция.

Получение кислорода в промышленных масштабах

Самый дешевый процесс, в результате которого получаются свободные от воздуха молекулы О 2 , не связан с проведением химических реакций. В промышленности, скажем, на металлургических комбинатах, воздух при низкой температуре и высоком давлении сжижают. Такие важнейшие компоненты атмосферы, как азот и кислород, кипят при разных температурах. Разделяют воздушную смесь при постепенном нагревании до обычной температуры. Сначала выделяются молекулы азота, затем кислорода. Способ разделения основан на разных физических свойствах простых веществ. Формула простого вещества кислорода такая же, как была до охлаждения и сжижения воздуха, — О 2 .

В результате некоторых реакций электролиза тоже выделяется кислород, его собирают над соответствующим электродом. Газ нужен промышленным, строительным предприятиям в больших объемах. Потребности в кислороде постоянно растут, особенно нуждается в нем химическая промышленность. Хранят полученный газ для производственных и медицинских целей в стальных баллонах, снабженных маркировкой. Емкости с кислородом окрашивают в синий или голубой цвет, чтобы отличать от других сжиженных газов — азота, метана, аммиака.

Химические расчеты по формуле и уравнениям реакций с участием молекул О 2

Численное значение молярной массы кислорода совпадает с другой величиной — относительной молекулярной массой. Только в первом случае присутствуют единицы измерения. Коротко формула вещества кислорода и его молярной массы должна быть записана так: М(О 2) = 32 г/моль. При нормальных условиях молю любого газа соответствует объем 22,4 л. Значит, 1 моль О 2 — это 22,4 л вещества, 2 моль О 2 — 44,8 л. По уравнению реакции между кислородом и водородом можно заметить, что взаимодействуют 2 моля водорода и 1 моль кислорода:

Если в реакции участвует 1 моль водорода, то объем кислорода составит 0,5 моль. 22,4 л/моль = 11,2 л.

Роль молекул О 2 в природе и жизни человека

Кислород потребляется живыми организмами на Земле и участвует в круговороте веществ свыше 3 млрд лет. Это главное вещество для дыхания и метаболизма, с его помощью происходит разложение молекул питательных веществ, синтезируется необходимая для организмов энергия. Кислород постоянно расходуется на Земле, но его запасы пополняются благодаря фотосинтезу. Русский ученый К. Тимирязев считал, что благодаря именно этому процессу до сих пор существует жизнь на нашей планете.

Велика роль кислорода в природе и хозяйстве:

поглощается в процессе дыхания живыми организмами;
участвует в реакциях фотосинтеза в растениях;
входит в состав органических молекул;
процессы гниения, брожения, ржавления протекают при участии кислорода, выступающего в качестве окислителя;
используется для получения ценных продуктов органического синтеза.

Сжиженный кислород в баллонах используют для резки и сварки металлов при высоких температурах. Эти процессы проводят на машиностроительных заводах, на транспортных и строительных предприятиях. Для проведения работ под водой, под землей, на большой высоте в безвоздушном пространстве люди тоже нуждаются в молекулах О 2 . применяются в медицине для обогащения состава воздуха, вдыхаемого больными людьми. Газ для медицинских целей отличается от технического практически полным отсутствием посторонних примесей, запаха.

Кислород — идеальный окислитель

Известны соединения кислорода со всеми химическими элементами таблицы Менделеева, кроме первых представителей семейства благородных газов. Многие вещества непосредственно вступают в реакции с атомами О, исключая галогены, золото и платину. Большое значение имеют явления с участием кислорода, которые сопровождаются выделением света и тепла. Такие процессы широко используются в быту, промышленности. В металлургии взаимодействие руд с кислородом называют обжигом. Предварительно измельченную руду смешивают с воздухом, обогащенным кислородом. При высоких температурах происходит восстановление металлов из сульфидов до простых веществ. Так получают железо и некоторые цветные металлы. Присутствие чистого кислорода повышает скорость технологических процессов в разных отраслях химии, технике и металлургии.

Появление дешевого способа получения кислорода из воздуха методом разделения на компоненты при низкой температуре стимулировало развитие многих направлений промышленного производства. Химики считают молекулы О 2 и атомы О идеальными окислительными агентами. Это естественные материалы, они постоянно возобновляются в природе, не загрязняют окружающую среду. Кроме того, химические реакции с участием кислорода чаще всего завершаются синтезом еще одного натурального и безопасного продукта — воды. Велика роль О 2 в обезвреживании токсичных производственных отходов, очистке воды от загрязнений. Кроме кислорода, для обеззараживания используется его аллотропная модификация — озон. Это простое вещество обладает высокой окислительной активностью. При озонировании воды разлагаются загрязняющие вещества. Озон также губительно действует на болезнетворную микрофлору.