Химични реакции с кислород. Кислород, физични свойства

Кислород

КИСЛОРОД-А; м.Химичен елемент (O), газ без цвят и мирис, който е част от въздуха, необходим за дишане и горене и образува вода в комбинация с водород.

◊ Спрете кислорода на някого. Създайте непоносими условия за живот и труд.

◁ Кислород, о, о. К-та сряда. K връзки. Kth рязане(газово рязане). K-то заваряване(газово заваряване). Kth гладуване; някаква недостатъчност (пчелен мед.;намалено съдържание на кислород в телесните тъкани; хипоксия).

◊ Кислородна възглавница (виж възглавница).

(лат. Oxygenium), химичен елемент от VI група на периодичната таблица. В свободна форма се среща под формата на две модификации - O 2 („обикновен” кислород) и O 3 (озон). O 2 - газ без цвят и мирис, плътност 1,42897 g/l, T pl –218,6ºC, T kip –182,96ºC. Химически най-активният (след флуора) неметал. Той взаимодейства с повечето други елементи (водород, халогени, сяра, много метали и др.) Директно (окисляване) и, като правило, с освобождаване на енергия. С повишаване на температурата скоростта на окисление се увеличава и може да започне горене. Животните и растенията получават необходимата за живота енергия поради биологичното окисление на различни вещества с кислород, постъпващ в организмите по време на дишането. Най-често срещаният елемент на Земята; под формата на съединения съставлява около 1/2 от масата на земната кора; е част от водата (88,8% от теглото) и много тъкани на живи организми (около 70% от теглото). Свободният атмосферен кислород (20,95% от обема) се образува и запазва чрез фотосинтеза. Кислородът (или обогатеният с него въздух) се използва в металургията, химическата промишленост, медицината и кислородните дихателни апарати. Течният кислород е компонент на ракетното гориво.

енциклопедичен речник. 2009 .

Вижте какво е „кислород“ в други речници:

- (Кислороден). Безцветен газ без мирис и вкус. Слабо разтворим във вода (приблизително 1:43). Кислородните инхалации се използват широко при различни заболявания, придружени от хипоксия: респираторни заболявания (пневмония, белодробен оток... Речник на лекарствата

КИСЛОРОД, O (a. oxygen; i. Sauerstoff; f. oxygene; i. oxigeno), е химичен елемент от VI група на периодичната система на Менделеев, атомен номер 8, атомна маса 15,9994. В природата се състои от три стабилни изотопа: 16 O (99,754%), 17 O (0,0374%), 18 O (0,2039%). Открит е независимо от шведския химик К. В. Шееле (1770) и английския изследовател Дж. Пристли (1774). През 1775 г. френският химик А. Лавоазие установява, че въздухът се състои от два газа - кислород и азот и дава име на първия.

Повече от 99,9% от кислорода на Земята е в свързано състояние. Кислородът е основният фактор, регулиращ разпределението на елементите в планетарен мащаб. Съдържанието му естествено намалява с дълбочината. Количеството кислород в магмените скали варира от 49% в киселите вулканични скали до 38-42% в дунитите и кимбърлитите. Съдържанието на кислород в метаморфните скали съответства на дълбочината на образуването им: от 44% в еклогитите до 48% в кристалните шисти. Максималният кислород в седиментните скали е 49-51%. Когато седиментите се потапят, настъпва дехидратация и частична редукция на железния оксид, придружена от намаляване на количеството кислород в скалата. Когато скалите се издигат от дълбините до повърхностни условия, процесите на тяхната промяна започват с въвеждането на вода и въглероден диоксид и съдържанието на кислород се увеличава. Изключителна роля в геохимичните процеси играе свободният кислород, чието значение се определя от неговата висока химична активност, висока миграционна способност и постоянно, относително високо съдържание в биосферата, където не само се консумира, но и се възпроизвежда.

Свободен кислород

Смята се, че свободният кислород се е появил в протерозоя в резултат на фотосинтезата. В супергенните процеси кислородът е един от основните агенти, той окислява сероводорода и нисшите оксиди. Кислородът определя поведението на много елементи: повишава миграционната способност на халкофилите, окислява сулфидите до подвижни сулфати, намалява мобилността на желязото и ги утаява под формата на хидроксиди и по този начин причинява тяхното разделяне и т.н. В океанските води кислородът промени в съдържанието: през лятото океанът дава кислород на атмосферата, поглъща го през зимата. Полярните региони са обогатени с кислород. Съединенията на кислорода и въглеродния диоксид са от важно геохимично значение.

Първичният изотопен състав на кислорода на Земята съответства на изотопния състав на метеоритите и ултраосновните скали (18O = 5,9-6,4%). Процесите на утаяване доведоха до фракциониране на изотопите между утайките и водата и до изчерпване на тежкия кислород в океанските води. Атмосферният кислород е изчерпан с 18 O в сравнение с океанския кислород, който се приема за стандарт. Алкалните скали, гранитите, метаморфните и седиментните скали са обогатени с тежък кислород. Вариациите в изотопния състав на земните обекти се определят главно от температурата на процеса. Това е основата за изотопната термометрия на образуването на карбонати и други геохимични процеси.

Получаване на кислород

Основният промишлен метод за производство на кислород е разделяне на въздуха чрез дълбоко охлаждане. Кислородът се получава като страничен продукт от електролизата на водата. Разработен е метод за получаване на кислород чрез селективна дифузия на газове през молекулни сита.

Кислороден газ

Газообразният кислород се използва в металургията за интензифициране на процесите на доменни пещи и стомана, при топене на цветни метали в пещи, бесемеров щейн и др. (над 60% от консумирания кислород); като окислител в много химически индустрии; в техниката - при заваряване и рязане на метали; при подземна газификация на въглища и др.; озон - за стерилизация на хранителна вода и дезинфекция на помещения. Течният кислород се използва като окислител за ракетни горива.

Елементи, разположени в главната подгрупа на група VI на периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев.

Изследването на атомните структури на елементите от основната подгрупа на VI група показва, че всички те имат шестелектронна структура на външния слой (Таблица 13) и следователно имат относително високи стойности на електроотрицателност. , има най-голяма електроотрицателност и най-малка, което се обяснява с промяната на атомния радиус. Специалното място на кислорода в тази група се подчертава от факта, че , и телурът могат директно да се свързват с кислорода, но не могат да се комбинират помежду си.

Елементите от групата на кислорода също принадлежат към групата Р-елементи, тъй като се довършват Р-черупка. За всички елементи от семейството, с изключение на самия кислород, 6 електрона във външния слой са валентни електрони.
При окислително-редукционните реакции елементите от кислородната група често проявяват окислителни свойства. Най-силно окислителните свойства са изразени при кислорода.
Всички елементи от главната подгрупа на VI група се характеризират с отрицателна степен на окисление -2. За сярата, селена и телура обаче са възможни и положителни степени на окисление (максимум +6).
Молекулата на кислорода, като всеки прост газ, е двуатомна, изградена като ковалентна връзка, образувана от две електронни двойки. Следователно кислородът е двувалентен, когато образува прост кислород.
Сярата е твърдо вещество. Молекулата съдържа 8 серни атома (S8), но те са свързани в един вид пръстен, в който всеки серен атом е свързан само с два съседни атома чрез ковалентна връзка

Така всеки серен атом, имащ една обща електронна двойка с два съседни атома, сам по себе си е двувалентен. Подобни молекули образуват селен (Se8) и телур (Te8).

■ 1. Напишете разказ за кислородната група по следния план: а) позиция в периодичната таблица; б) заряди на ядра и. брой неутрони в ядрото; в) електронни конфигурации; г) структура на кристална решетка; д) възможни степени на окисление на кислорода и всички други елементи от тази група.
2. Какви са приликите и разликите между атомните структури и електронните конфигурации на атомите на елементите от основните подгрупи на VI и VII групи?
3. Колко валентни електрона имат елементите от главната подгрупа на VI група?
4. Как трябва да се държат елементите от главната подгрупа на VI група в редокс реакции?
5. Кой от елементите на главната подгрупа на VI група е най-електроотрицателен?

Когато разглеждаме елементите на главната подгрупа на VI група, първо се сблъскваме с явлението алотропия. Един и същи елемент в свободно състояние може да образува две или повече прости вещества. Това явление се нарича алотропия, а самите те се наричат ​​алотропни модификации.

Запишете тази формулировка в тетрадката си.

Например, елементът кислород е способен да образува два прости елемента - кислород и озон.
Формула на прост кислород О2, формула на просто вещество озон О3. Техните молекули са изградени по различен начин:

Кислородът и озонът са алотропни модификации на елемента кислород.
Сярата също може да образува няколко алотропи (модификации). Известна е орторомбична (октаедрична), пластична и моноклинна сяра. Селенът и телурът също образуват няколко алотропа. Трябва да се отбележи, че явлението алотропия е характерно за много елементи. Ще разгледаме разликите в свойствата на различните алотропни модификации, когато изучаваме елементи.

■ 6. Каква е разликата между структурата на молекулата на кислорода и структурата на молекулата на озона?

7. Какъв тип връзка има в молекулите на кислорода и озона?

Кислород. Физични свойства, физиологични ефекти, значението на кислорода в природата

Кислородът е най-лекият елемент от главната подгрупа на VI група. Атомното тегло на кислорода е 15,994. 31,988. Кислородният атом има най-малък радиус от елементите на тази подгрупа (0,6 Å). Електронна конфигурация на кислородния атом: ls 2 2s 2 2p 4.

Разпределението на електроните по орбиталите на втория слой показва, че кислородът има два несдвоени електрона в своите p-орбитали, които лесно могат да бъдат използвани за образуване на химична връзка между атомите. Характерна степен на окисление на кислорода.
Кислородът е газ без цвят и мирис. По-тежък е от въздуха, при температура -183° се превръща в синя течност, а при температура -219° се втвърдява.

Плътността на кислорода е 1,43 g/l. Кислородът е слабо разтворим във вода: 3 обема кислород се разтварят в 100 обема вода при 0°C. Следователно кислородът може да се съхранява в газомер (фиг. 34) - устройство за съхранение на неразтворими и слабо разтворими във вода газове. Най-често кислородът се съхранява в газомер.
Газомерът се състои от две основни части: съд 1, който служи за съхранение на газ и голяма фуния 2 с кран и дълга тръба, която достига почти до дъното на съд 1 и служи за подаване на вода към уреда. Съд 1 има три тръби: фуния 2 със спирателен кран е вкарана в тръба 3 с шлайфана вътрешна повърхност; тръба за изпускане на газ, оборудвана със спирателен кран, е вкарана в тръба 4; тръба 5 в долната част служи за изпускане на вода от устройството при зареждане и разреждане. В зареден газомер съд 1 е пълен с кислород. На дъното на съда се намира, в който се спуска краят на тръбата на фунията 2.

Ориз. 34.
1 - съд за съхранение на газ; 2 - фуния за подаване на вода; 3 - тръба с шлифована повърхност; 4 - тръба за отстраняване на газ; 5 - тръба за изпускане на вода при зареждане на устройството.

Ако трябва да получите кислород от газомер, първо отворете крана на фунията и леко компресирайте кислорода в газомера. След това отворете крана на изходната тръба за газ, през който излиза кислород, изместен от водата.

В промишлеността кислородът се съхранява в стоманени бутилки в компресирано състояние (фиг. 35, а) или в течна форма в кислородни „резервоари“ (фиг. 36).

Ориз. 35.Кислороден балон

Запишете от текста имената на устройствата, предназначени за съхранение на кислород.
Кислородът е най-често срещаният елемент. Той съставлява почти 50% от теглото на цялата земна кора (фиг. 37). Човешкото тяло съдържа 65% кислород, който е част от различни органични вещества, от които са изградени тъканите и органите. Водата съдържа около 89% кислород. В атмосферата кислородът представлява 23% от теглото и 21% от обема. Кислородът е част от голямо разнообразие от скали (например варовик, креда, мрамор CaCO3, пясък SiO2), руди на различни метали (магнитна желязна руда Fe3O4, кафява желязна руда 2Fe2O3 nH2O, червена желязна руда Fe2O3, боксит Al2O3 nH2O и др. .) . Кислородът е част от повечето органични вещества.

Физиологичното значение на кислорода е огромно. Това е единственият газ, който живите организми могат да използват за дишане. Липсата на кислород причинява спиране на жизнените процеси и смърт на тялото. Без кислород човек може да живее само няколко минути. При дишане се абсорбира кислород, който участва в окислително-възстановителните процеси, протичащи в тялото, и се отделят продукти на окисление на органични вещества - въглероден диоксид и други вещества. И сухоземните, и водните живи организми дишат кислород: сухоземните - със свободен атмосферен кислород, а водните - с разтворен във вода кислород.
В природата се случва един вид кръговрат на кислорода. Кислородът от атмосферата се абсорбира от животни, растения, хора и се изразходва за процеси на изгаряне на гориво, гниене и други окислителни процеси. Въглеродният диоксид и водата, образувани по време на процеса на окисление, се консумират от зелени растения, в които с помощта на листен хлорофил и слънчева енергия се извършва процесът на фотосинтеза, т.е. синтезът на органични вещества от въглероден диоксид и вода, придружен чрез освобождаване на кислород.
За да се осигури кислород на един човек, са необходими короните на две големи дървета. Зелените растения поддържат постоянен състав на атмосферата.

■ 8. Какво е значението на кислорода в живота на живите организми?
9. Как се попълва запасът от кислород в атмосферата?

Химични свойства на кислорода

Свободният кислород, когато реагира с прости и сложни вещества, обикновено се държи като.

Ориз. 37.

Степента на окисление, която придобива в този случай, винаги е -2. Много елементи взаимодействат директно с кислорода, с изключение на благородни метали, елементи със стойности на електроотрицателност, близки до кислорода () и инертни елементи.
В резултат на това се образуват кислородни съединения с прости и сложни вещества. Много горят в кислород, въпреки че във въздуха те или не горят, или горят много слабо. гори в кислород с ярко жълт пламък; при това се получава натриев пероксид (фиг. 38):
2Na + O2 = Na2O2,
Сярата гори в кислород с ярко син пламък, за да образува серен диоксид:
S + O2 = SO2
Въгленът едва тлее във въздуха, но в кислорода става много горещ и изгаря, образувайки въглероден диоксид (фиг. 39):
C + O2 = CO2

Ориз. 36.

Той гори в кислород с бял, ослепително ярък пламък и се образува твърд бял фосфорен пентоксид:
4P + 5O2 = 2P2O5
изгаря в кислород, разпръсквайки искри и образувайки железен нагар (фиг. 40).
Органичните вещества също горят в кислород, например метан CH4, съставният състав на природния газ: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
Изгарянето в чист кислород протича много по-интензивно, отколкото във въздуха, и позволява да се получат значително по-високи температури. Това явление се използва за интензифициране на редица химични процеси и по-ефективно изгаряне на горивото.
В процеса на дишане кислородът се свързва с хемоглобина в кръвта, за да образува оксихемоглобин, който, като много нестабилно съединение, лесно се разлага в тъканите с образуването на свободен кислород, който преминава в окисление. Гниенето също е окислителен процес с участието на кислород.
Те разпознават чистия кислород, като вкарат тлееща треска в съда, където се предполага, че има. Мига ярко - това е висококачествен тест за кислород.

■ 10. Как, като имате на разположение треска, можете да разпознаете кислород и въглероден диоксид в различни съдове? 11. Какъв обем кислород ще се използва за изгаряне на 2 kg въглища, съдържащи 70% въглерод, 5% водород, 7% кислород, а останалите - незапалими компоненти?

Ориз. 38.Изгаряне на натрий Ориз. 39.Изгаряне на въглища Ориз. 40.Изгаряне на желязо в кислород.

12. Достатъчни ли са 10 литра кислород за изгаряне на 5 g фосфор?
13. 1 m3 газова смес, съдържаща 40% въглероден оксид, 20% азот, 30% водород и 10% въглероден диоксид, е изгорен в кислород. Колко кислород е изразходван?
14. Възможно ли е да се изсуши кислородът, като се прекара през: а) сярна киселина, б) калциев хлорид, в) фосфорен анхидрид, г) метал?
15. Как да освободим въглеродния диоксид от примесите на кислород и обратно, как да освободим кислорода от примесите на въглероден диоксид?
16. 20 литра кислород, съдържащ примес на въглероден диоксид, бяха прекарани през 200 ml 0,1 N. бариев разтвор. В резултат на това Ba 2+ катионът беше напълно утаен. Колко въглероден диоксид (в проценти) съдържа първоначалният кислород?

Получаване на кислород

Кислородът се получава по няколко начина. В лабораторията кислородът се получава от кислородсъдържащи вещества, които лесно могат да го разделят, например от калиев перманганат KMnO4 (фиг. 41) или от бертолетова сол KClO3:
2КМnО4 = K2MnO4 + МnО2 + O2

2КlO3 = 2Кl + O2
При производството на кислород от бертолитовата сол трябва да присъства катализатор за ускоряване на реакцията - манганов диоксид. Катализаторът ускорява разлагането и го прави по-равномерно. Без катализатор може

Ориз. 41. Устройство за производство на кислород по лабораторен метод от калиев перманганат. 1 - калиев перманганат; 2 - кислород; 3 - памучна вата; 4 - цилиндър - колекция.

може да възникне експлозия, ако бертолетовата сол се приема в големи количества и особено ако е замърсена с органични вещества.
Кислородът се получава и от водороден пероксид в присъствието на катализатор - манганов диоксид MnO2 по уравнението:
2H2O2[MnO2] = 2H2O + O2

■ 17. Защо се добавя MnO2 по време на разлагането на бертолетовата сол?
18. Кислородът, образуван по време на разлагането на KMnO4, може да бъде събран над водата. Отразете това в схемата на устройството.
19. Понякога, ако манганов диоксид не е наличен в лабораторията, малко остатък след калциниране на калиев перманганат се добавя към бертолтоловата сол вместо това. Защо е възможна такава подмяна?
20. Какъв обем кислород ще се отдели при разлагането на 5 мола бертолетова сол?

Кислородът може да се получи и чрез разлагане на нитрати при нагряване над точката на топене:
2KNO3 = 2KNO2 + O2
В промишлеността кислородът се получава главно от течен въздух. Въздухът, превърнат в течно състояние, се подлага на изпарение. Първо се изпарява (точката му на кипене е 195,8°) и остава кислородът (точката му на кипене е -183°). По този начин се получава кислород в почти чист вид.
Понякога, ако има евтина електроенергия, кислородът се получава чрез електролиза на вода:
H2O ⇄ H + + OH —
N + + д— → Н 0
на катода
2OH — — д— → H2O + O; 2O = O2
на анода

■ 21. Избройте известните ви лабораторни и индустриални методи за производство на кислород. Запишете ги в тетрадката си, като придружите всеки метод с уравнението на реакцията.
22. Използваните реакции за получаване на кислород редокс ли са? Дайте аргументиран отговор.
23. Взети са 10 g от следните вещества; калиев перманганат, бертолетова сол, калиев нитрат. В кой случай ще бъде възможно да се получи най-голям обем кислород?
24. 1 g въглища са изгорени в кислород, получен при нагряване на 20 g калиев перманганат. Какъв процент от перманганата се е разложил?

Кислородът е най-разпространеният елемент в природата. Намира широко приложение в медицината, химията, промишлеността и др. (фиг. 42).

Ориз. 42. Използване на кислород.

Пилотите на голяма надморска височина, хората, работещи в атмосфера на вредни газове, и тези, които се занимават с подземна и подводна работа, използват кислородни устройства (фиг. 43).

В случаите, когато е затруднено поради определено заболяване, на човека се дава чист кислород за дишане от кислородна торба или се поставя в кислородна палатка.
Понастоящем въздухът, обогатен с кислород или чистият кислород, се използва широко за интензифициране на металургичните процеси. Кислородно-водородни и кислородно-ацетиленови горелки се използват за заваряване и рязане на метали. Чрез импрегниране на запалими вещества с течен кислород: стърготини, въглищен прах и др., Получават се експлозивни смеси, наречени оксиликвити.

■ 25. Начертайте таблица в тетрадката си и я попълнете.

Озон O3

Както вече споменахме, елементът кислород може да образува друга алотропна модификация - озон O3. Озонът кипи при -111° и се втвърдява при -250°. В газообразно състояние е синьо, в течно състояние е синьо. озонът във водата е много по-висок от кислорода: 45 обема озон се разтварят в 100 обема вода.

Озонът се различава от кислорода по това, че неговата молекула се състои от три, а не от два атома. Благодарение на това молекулата на кислорода е много по-стабилна от молекулата на озона. Озонът се разгражда лесно съгласно уравнението:
O3 = O2 + [O]

Отделянето на атомарен кислород по време на разлагането на озона го прави много по-силен окислител от кислорода. Озонът има свежа миризма („озон” в превод означава „миришещ”). В природата се образува под въздействието на тих електрически разряд и в борови гори. Пациентите с белодробни заболявания се съветват да прекарват повече време в борови гори. Въпреки това, продължителното излагане на атмосфера, силно обогатена с озон, може да има токсичен ефект върху тялото. Отравянето е придружено от виене на свят, гадене и кървене от носа. При хронично отравяне може да възникне сърдечно заболяване.
В лабораторията озонът се получава от кислород в озонатори (фиг. 44). Кислородът се пропуска в стъклена тръба 1, обвита отвън с тел 2. Вътре в тръбата минава проводник 3. И двата проводника са свързани към полюсите на източник на ток, който създава високо напрежение на посочените електроди. Между електродите възниква тих електрически разряд, поради което озонът се образува от кислород.

Фигура 44; Озонатор. 1 - стъклен контейнер; 2 - външна намотка; 3 - проводник вътре в тръбата; 4 - разтвор на калиев йодид с нишесте

3O2 = 2O3
Озонът е много силен окислител. Той реагира много по-енергично от кислорода и като цяло е много по-активен от кислорода. Например, за разлика от кислорода, той може да измести йодоводород или йодидни соли:
2KI + O3 + H2O = 2KOH + I2 + O2

В атмосферата има много малко озон (около една милионна от процента), но той играе значителна роля в поглъщането на ултравиолетовите лъчи от слънцето, поради което те достигат до земята в по-малки количества и не оказват вредно въздействие върху живите организми.
Озонът се използва в малки количества главно за климатизация, а също и в химията.

■ 26. Какво представляват алотропните модификации?
27. Защо йод-нишестената хартия става синя под въздействието на озон? Дайте аргументиран отговор.
28. Защо молекулата на кислорода е много по-стабилна от молекулата на озона? Обосновете отговора си по отношение на вътрешномолекулната структура.

Кислород (лат. Oxygenium), O, химичен елемент от VI група на периодичната система на Менделеев; атомен номер 8, атомна маса 15,9994. При нормални условия кислородът е газ без цвят, мирис и вкус. Трудно е да се назове друг елемент, който би играл толкова важна роля на нашата планета като кислорода.

Историческа справка. Процесите на горене и дишане отдавна привличат вниманието на учените. Първите указания, че не целият въздух, а само „активната“ му част поддържа горенето, са открити в китайски ръкописи от 8 век. Много по-късно Леонардо да Винчи (1452-1519) разглежда въздуха като смес от два газа, само единият от които се изразходва при горене и дишане. Окончателното откритие на двата основни компонента на въздуха - азот и кислород, което прави епоха в науката, се случва едва в края на 18 век. Кислородът е получен почти едновременно от K. Scheele (1769-70) чрез калциниране на селитра (KNO3, NaNO3), манганов диоксид MnO2 и други вещества и J. Priestley (1774) чрез нагряване на червено олово Pb3O4 и живачен оксид HgO. През 1772 г. Д. Ръдърфорд открива азота. През 1775 г. А. Лавоазие, след като извърши количествен анализ на въздуха, установи, че той „се състои от два (газа) с различна и, така да се каже, противоположна природа“, т.е. от кислород и азот. Въз основа на обширни експериментални изследвания Лавоазие правилно обяснява горенето и дишането като процеси на взаимодействие на веществата с кислорода. Тъй като кислородът е част от киселините, Лавоазие го нарече оксиген, тоест „образуващи киселини“ (от гръцки oxys - кисел и gennao - раждам; оттук и руското име „кислород“).

Разпределение на кислорода в природата. Кислородът е най-често срещаният химичен елемент на Земята. Свързаният кислород съставлява около 6/7 от масата на водната обвивка на Земята - хидросферата (85,82% от масата), почти половината от литосферата (47% от масата) и само в атмосферата, където Кислородът е в свободна състояние, заема ли второ място (23 ,15% тегловни) след азота.

Кислородът също е на първо място по брой минерали, които образува (1364); Сред минералите, съдържащи кислород, преобладават силикати (фелдшпати, слюди и други), кварц, железни оксиди, карбонати и сулфати. Живите организми съдържат средно около 70% кислород; влиза в състава на повечето от най-важните органични съединения (протеини, мазнини, въглехидрати и др.) и в състава на неорганичните съединения на скелета. Ролята на свободния кислород е изключително важна в биохимичните и физиологичните процеси, особено в дишането. С изключение на някои анаеробни микроорганизми, всички животни и растения получават необходимата за живота енергия чрез биологично окисляване на различни вещества с помощта на кислород.

Цялата маса свободен кислород на Земята е възникнала и се съхранява благодарение на жизнената дейност на зелените растения на сушата и Световния океан, които отделят кислород в процеса на фотосинтеза. На земната повърхност, където протича фотосинтеза и преобладава свободен кислород, се образуват рязко окислителни условия. Напротив, в магмата, както и в дълбоките хоризонти на подземните води, в тинята на морета и езера, в блатата, където липсва свободен кислород, се образува редуцираща среда. Редокс процесите с участието на Кислород определят концентрацията на много елементи и образуването на минерални находища – въглища, нефт, сяра, железни руди, мед и др. Промените в цикъла на кислорода се дължат и на икономическата дейност на човека. В някои индустриализирани страни изгарянето на гориво изразходва повече кислород, отколкото се произвежда от растенията по време на фотосинтеза. Общо около 9·109 тона кислород се консумират годишно в света за изгаряне на гориво.

Изотопи, атом и молекула на кислорода. Кислородът има три стабилни изотопа: 16O, 17O и 18O, чието средно съдържание е съответно 99,759%, 0,037% и 0,204% от общия брой кислородни атоми на Земята. Рязкото преобладаване на най-лекия от тях, 16O, в сместа от изотопи се дължи на факта, че ядрото на атома 16O се състои от 8 протона и 8 неутрона. И такива ядра, както следва от теорията на атомното ядро, са особено стабилни.

В съответствие с позицията на кислорода в периодичната таблица на елементите на Менделеев, електроните на кислородния атом са разположени в две обвивки: 2 във вътрешната и 6 във външната (конфигурация 1s22s22p4). Тъй като външната обвивка на кислородния атом е незапълнена и йонизационният потенциал и електронен афинитет са съответно 13,61 и 1,46 eV, кислородният атом в химичните съединения обикновено придобива електрони и има отрицателен ефективен заряд. Напротив, съединенията, в които електроните се отделят (по-точно изтеглят) от кислородния атом, са изключително редки (като например F2O, F2O3). Преди това, въз основа единствено на позицията на кислорода в периодичната таблица, на кислородния атом в оксидите и в повечето други съединения се приписваше отрицателен заряд (-2). Въпреки това, както показват експерименталните данни, йонът O2 не съществува нито в свободно състояние, нито в съединения, а отрицателният ефективен заряд на кислородния атом почти никога не надвишава значително единицата.

При нормални условия молекулата на кислорода е двуатомна (O2); при тих електрически разряд се образува и триатомна молекула О3 - озон; при високи налягания се намират молекули O4 в малки количества. Електронната структура на O2 представлява голям теоретичен интерес. В основно състояние молекулата O2 има два несдвоени електрона; за него не е приложима “обичайната” класическа структурна формула O=O с две двуелектронни връзки. Цялостно обяснение на този факт е дадено в рамките на теорията за молекулярните орбитали. Енергията на йонизация на молекулата на кислорода (O2 - e > O2+) е 12,2 eV, а афинитетът към електрона (O2 + e > O2-) е 0,94 eV. Дисоциацията на молекулярния кислород на атоми при обикновена температура е незначителна, става забележима едва при 1500°C; при 5000°C молекулите на кислорода са почти напълно дисоциирани на атоми.

Физични свойства на кислорода. Кислородът е безцветен газ, който кондензира при -182,9°C и нормално налягане в бледосиня течност, която се втвърдява при -218,7°C, образувайки сини кристали. Плътността на кислородния газ (при 0°C и нормално налягане) е 1,42897 g/l. Критичната температура на кислорода е доста ниска (Tcrit = -118,84°C), тоест по-ниска от тази на Cl2, CO2, SO2 и някои други газове; Tcrit = 4,97 Mn/m2 (49,71 at). Топлопроводимост (при 0°C) 23,86·10-3 W/(m·K). Моларен топлинен капацитет (при 0°C) в J/(mol K) Сp = 28.9, Сv = 20.5, Сp/Сv = 1.403. Диелектричната константа на газообразния кислород е 1,000547 (0°C), на течния 1,491. Вискозитет 189 ppm (0°C). Кислородът е слабо разтворим във вода: при 20°C и 1 atm в 1 m3 се разтварят 0,031 m3 вода, а при 0°C - 0,049 m3 кислород. Добрите абсорбери на твърд кислород са платинено черно и активен въглен.

Химични свойства на кислорода. Кислородът образува химични съединения с всички елементи, с изключение на леките инертни газове. Като най-активният (след флуора) неметал, кислородът взаимодейства директно с повечето елементи; изключение правят тежки инертни газове, халогени, злато и платина; техните връзки с кислорода се получават индиректно. Почти всички реакции на кислорода с други вещества - реакции на окисление - са екзотермични, т.е. те са придружени от освобождаване на енергия. Кислородът реагира изключително бавно с водорода при нормални температури; над 550°C тази реакция протича с експлозия 2H2 + O2 = 2H2O.

Кислородът реагира много бавно със сярата, въглерода, азота и фосфора при нормални условия. С повишаване на температурата скоростта на реакцията се увеличава и при определена температура на запалване, характерна за всеки елемент, започва горенето. Реакцията на азота с кислорода, поради специалната сила на молекулата на N2, е ендотермична и се забелязва едва над 1200°C или при електрически разряд: N2 + O2 = 2NO. Кислородът активно окислява почти всички метали, особено алкалните и алкалоземните метали. Активността на взаимодействие между метал и кислород зависи от много фактори - състоянието на металната повърхност, степента на смилане и наличието на примеси.

В процеса на взаимодействие на веществото с кислорода ролята на водата е изключително важна. Например, дори такъв активен метал като калия не реагира с напълно свободен от влага кислород, но се запалва в кислород при обикновени температури в присъствието дори на малки количества водна пара. Изчислено е, че до 10% от всички произведени метали се губят годишно в резултат на корозия.

Оксидите на някои метали, добавяйки кислород, образуват пероксидни съединения, съдържащи 2 или повече свързани помежду си кислородни атома. Така пероксидите Na2O2 и BaO2 включват пероксидния йон O22-, супероксидите NaO2 и СО2 - O2- йона, а озонидите NaO3, СО3, RbO3 и CsO3 - O3- йона.Кислородът взаимодейства екзотермично с много сложни вещества. И така, амонякът гори в кислород в отсъствието на катализатори, реакцията протича съгласно уравнението: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O. Окисляването на амоняка с кислород в присъствието на катализатор произвежда NO (този процес се използва при производството на азотна киселина). От особено значение е изгарянето на въглеводороди (природен газ, бензин, керосин) - най-важният източник на топлина в бита и промишлеността, например CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O. Взаимодействието на въглеводородите с кислорода е в основата на много важни производствени процеси - като например така нареченото преобразуване на метан, извършвано за получаване на водород: 2CH4 + O2 + 2H2O = 2CO2 + 6H2. Много органични съединения (въглеводороди с двойни или тройни връзки, алдехиди, феноли, както и терпентин, изсушаващи масла и други) енергично добавят кислород. Окисляването на хранителните вещества в клетките от кислород служи като източник на енергия за живите организми.

Получаване на кислород. Има 3 основни начина за получаване на кислород: химически, електролиза (електролиза на вода) и физичен (отделяне на въздух).

Химическият метод е изобретен по-рано от други. Кислородът може да се получи например от бертолетовата сол KClO3, която се разлага при нагряване, освобождавайки O2 в количество от 0,27 m 3 на 1 kg сол. Бариевият оксид BaO, когато се нагрява до 540°C, първо абсорбира кислород от въздуха, образувайки BaO2 пероксид, а при последващо нагряване до 870°C, BaO2 се разлага, освобождавайки чист кислород. Може да се получи и от KMnO4, Ca2PbO4, K2Cr2O7 и други вещества чрез нагряване и добавяне на катализатори. Химическият метод за получаване на кислород е нископроизводителен и скъп, няма промишлено значение и се използва само в лабораторната практика.

Методът на електролиза се състои в пропускане на постоянен електрически ток през вода, към която е добавен разтвор на натриев хидроксид NaOH, за да се увеличи нейната електропроводимост. В този случай водата се разлага на кислород и водород. Кислородът се събира близо до положителния електрод на електролизера, а водородът се събира близо до отрицателния електрод. По този начин кислородът се произвежда като страничен продукт при производството на водород. За получаването на 2 m3 водород и 1 m3 кислород се изразходват 12-15 kWh електроенергия.

Разделянето на въздуха е основният метод за получаване на кислород в съвременните технологии. Много е трудно да се отдели въздух в нормалното му газообразно състояние, така че въздухът първо се втечнява и след това се разделя на съставните си части. Този метод за получаване на кислород се нарича разделяне на въздуха чрез метода на дълбоко охлаждане. Първо, въздухът се компресира от компресор, след това, след преминаване през топлообменници, той се разширява в разширителна машина или дроселна клапа, в резултат на което се охлажда до температура от 93 K (-180 ° C) и се превръща в течен въздух. По-нататъшното разделяне на течен въздух, състоящ се главно от течен азот и течен кислород, се основава на разликата в точката на кипене на неговите компоненти [т.к. O2 90,18 К (-182,9 ° С), т.к. N2 77,36 К (-195,8 ° С)]. При постепенното изпаряване на течния въздух първо се изпарява азотът, а останалата течност все повече се обогатява с кислород. Чрез многократно повтаряне на подобен процес върху дестилационните тарелки на колоните за разделяне на въздуха се получава течен кислород с необходимата чистота (концентрация). СССР произвежда малки (няколко литра) и най-големите в света инсталации за разделяне на кислород (35 000 m 3 /h кислород). Тези инсталации произвеждат технологичен кислород с концентрация 95-98,5%, технически кислород с концентрация 99,2-99,9% и по-чист, медицински кислород, произвеждайки продукти в течна и газообразна форма. Консумацията на електроенергия варира от 0,41 до 1,6 kWh/m3.

Кислородът може да се получи и чрез разделяне на въздуха чрез метода на селективно проникване (дифузия) през мембранни прегради. Въздухът под високо налягане преминава през флуоропластични, стъклени или пластмасови прегради, чиято структурна решетка е в състояние да пропуска молекули на някои компоненти и да задържа други.

Газообразният кислород се съхранява и транспортира в стоманени бутилки и приемници при налягане 15 и 42 Mn/m2 (съответно 150 и 420 bar или 150 и 420 atm), течният кислород в метални съдове на Дюар или в специални резервоари. Използват се и специални тръбопроводи за транспортиране на течен и газообразен кислород. Кислородните бутилки са боядисани в синьо и имат думата „кислород“, написана в черно.

Приложение на кислорода. Техническият кислород се използва в процесите на газопламъчна обработка на метали, при заваряване, кислородно рязане, повърхностно закаляване, метализация и други, както и в авиацията, на подводници и др. Технологичният кислород се използва в химическата промишленост за производството на изкуствени течни горива, смазочни масла, азотна и сярна киселини, метанол, амоняк и амонячни торове, метални пероксиди и други химически продукти. Течният кислород се използва при взривни операции, в реактивни двигатели и в лабораторната практика като охладител.

Чистият кислород, затворен в цилиндри, се използва за дишане на голяма надморска височина, по време на космически полети, при гмуркане и др. В медицината Кислородът се дава за инхалация на тежко болни пациенти, използва се за приготвяне на кислород, вода и въздух (в кислородни палатки ) вани, за интрамускулно приложение и др. .P.

Кислородът се използва широко в металургията за интензифициране на редица пирометалургични процеси. Пълната или частична подмяна на въздуха, постъпващ в металургичните агрегати с кислород, промени химията на процесите, техните топлинни параметри и технико-икономически показатели. Кислородният взрив направи възможно намаляването на топлинните загуби с отработените газове, значителна част от които беше азот по време на въздушен взрив. Без да участва значително в химичните процеси, азотът забавя хода на реакциите, намалявайки концентрацията на активни реагенти в редокс средата. При прочистване с кислород се намалява разходът на гориво, подобрява се качеството на метала, в металургичните агрегати е възможно да се получат нови видове продукти (например шлаки и газове с необичаен състав за даден процес, които намират специални технически приложение) и др.

Първите опити за използване на обогатен с кислород взрив в доменното производство за топене на чугун и фероманган са проведени едновременно в СССР и Германия през 1932-33 г. Повишеното съдържание на кислород в доменната пещ е придружено от значително намаляване на потреблението на последния, докато съдържанието на въглероден оксид в доменния газ се увеличава и топлината му на изгаряне се увеличава. Обогатяването на взрива с кислород позволява да се увеличи производителността на доменната пещ, а в комбинация с газообразно и течно гориво, подавано към огнището, води до намаляване на потреблението на кокс. В този случай, за всеки допълнителен процент кислород във взрива, производителността се увеличава с приблизително 2,5%, а консумацията на кокс намалява с 1%.

Кислородът в откритото производство в СССР за първи път е използван за интензифициране на изгарянето на гориво (в промишлен мащаб кислородът е използван за тази цел за първи път в заводите Серп и Молот и Красное Сормово през 1932-33 г.). През 1933 г. те започват да инжектират кислород директно в течната вана, за да окислят примесите по време на финалния период. С увеличаване на интензивността на издухване на стопилката с 1 m 3 /t за 1 час, производителността на пещта се увеличава с 5-10%, разходът на гориво се намалява с 4-5%. При продухване обаче загубите на метал се увеличават. Когато консумацията на кислород е до 10 m 3 /t за 1 час, добивът на стомана намалява леко (до 1%). Кислородът става все по-разпространен в производството на открити огнища. Така че, ако през 1965 г. 52,1% от стоманата се топи с помощта на кислород в пещи с отворен огнище, то през 1970 г. вече е 71%.

Експериментите за използване на кислород в електрически пещи в СССР започват през 1946 г. в завода Електростал. Въвеждането на кислородно взривяване позволи да се увеличи производителността на пещите с 25-30%, да се намали специфичната консумация на енергия с 20-30%, да се подобри качеството на стоманата и да се намали консумацията на електроди и някои оскъдни легиращи добавки. Доставянето на кислород към електрическите пещи се оказа особено ефективно при производството на неръждаеми стомани с ниско съдържание на въглерод, чието топене е много трудно поради карбуризиращия ефект на електродите. Делът на електростоманата, произведена в СССР с помощта на кислород, непрекъснато нараства и през 1970 г. възлиза на 74,6% от общото производство на стомана.

При куполно топене обогатената с кислород струя се използва главно за високо прегряване на чугуна, което е необходимо при производството на висококачествени, по-специално високолегирани отливки (силиций, хром и др.). В зависимост от степента на обогатяване на ваграта с кислород, разходът на гориво се намалява с 30-50%, съдържанието на сяра в метала се намалява с 30-40%, производителността на ваграта се увеличава с 80-100%, а температурата на чугуна, произведен от него, се увеличава значително (до 1500°C).

Кислородът стана широко разпространен в цветната металургия малко по-късно, отколкото в черната металургия. Обогатеното с кислород взривяване се използва при преобразуване на щейни, в процесите на дестилация на шлака, велцинг, агломерация и при отразяващо топене на медни концентрати. При производството на олово, мед и никел, кислородният взрив интензифицира процесите на топене на шахта, намали потреблението на кокс с 10-20%, увеличи проникването с 15-20% и намали количеството на потоците в някои случаи с 2-3 пъти. Обогатяването на въздушния взрив с кислород до 30% по време на печене на концентрати от цинков сулфид увеличи производителността на процеса със 70% и намали обема на отработените газове с 30%.

изотопно свойство на кислородния елемент

8 O 1s 2 2s 2 2p 4 ; A r = 15.999 Изотопи: 16 O (99.759%); 170 (0,037%); 180 (0,204%); ЕО - 3,5

Кларк в земната кора е 47% от масата; в хидросферата 85,82% от масата; в атмосферата 20,95% обемни.

Най-често срещаният елемент.

Форми на поява на елемента: а) в свободна форма - O 2, O 3;

б) в свързана форма: O 2- аниони (главно)

Кислородът е типичен неметал, p-елемент. Валентност = II; степен на окисление -2 (с изключение на H 2 O 2, OF 2, O 2 F 2)

Физични свойства на O2

При нормални условия молекулярният кислород O2 е в газообразно състояние, няма цвят, мирис или вкус и е слабо разтворим във вода. При дълбоко охлаждане под налягане кондензира в бледосиня течност (Tkip - 183°C), която при -219°C се превръща в синьо-сини кристали.

Методи за получаване

1. Кислородът се образува в природата по време на фотосинтезата mCO 2 + nH 2 O → mO 2 + Cm(H 2 O)n

2. Промишлено производство

а) ректификация на течен въздух (отделяне от N 2);

б) електролиза на вода: 2H 2 O → 2H 2 + O 2

3. В лабораторията се получава следното чрез термично редокс разлагане на соли:

а) 2КlO 3 = 3О 2 + 2KCI

б) 2KMnO 4 = O 2 + MnO 2 + K 2 MnO 4

в) 2KNO 3 = O 2 + 2KNO 2

г) 2Cu(NO3)O2 = O2 + 4NO2 + 2CuO

д) 2AgNO 3 = O 2 + 2NO 2 + 2Ag

4. В херметически затворени помещения и в устройства за автономно дишане кислородът се получава по реакцията:

2Na 2 O 2 + 2CO 2 = O 2 + 2Na 2 CO 3

Химични свойства на кислорода

Кислородът е силен окислител. По химическа активност отстъпва само на флуора. Образува съединения с всички елементи с изключение на He, Ne и Ar. Реагира директно с повечето прости вещества при нормални условия или при нагряване, както и в присъствието на катализатори (изключения са Au, Pt, Hal 2, благородни газове). Реакциите с O 2 в повечето случаи са екзотермични, често протичат в режим на горене, понякога в експлозия. В резултат на реакциите се образуват съединения, в които кислородните атоми, като правило, имат С.О. -2:

Окисляване на алкални метали

4Li + O 2 = 2Li 2 O литиев оксид

2Na + O 2 = Na 2 O 2 натриев пероксид

K + O 2 = KO 2 калиев супероксид

Окисляване на всички метали с изключение на Au, Pt

Me + O 2 = Me x O y оксиди

Окисляване на неметали, различни от халогени и благородни газове

N 2 + O 2 = 2NO - Q

S + O 2 = SO 2;

C + O 2 = CO 2;

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

Si + O 2 = SiO 2

Окисляване на водородни съединения на неметали и метали

4HI + O 2 = 2I 2 + 2H 2 O

2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

2PH 3 + 4O 2 = P 2 O 5 + 3H 2 O

SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O

C x H y + O 2 = CO 2 + H 2 O

MeH x + 3O 2 = Me x O y + H 2 O

Окисляване на нисши оксиди и хидроксиди на поливалентни метали и неметали

4FeO + O 2 = 2Fe 2 O 3

4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3

2SO 2 + O 2 = 2SO 3

4NO 2 + O 2 + 2H 2 O = 4HNO 3

Окисляване на метални сулфиди

4FeS 2 + 11O 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 O 3

Окисляване на органични вещества

Всички органични съединения горят, окислени от атмосферния кислород.

Продуктите на окисление на различни елементи, включени в техните молекули, са:

В допълнение към реакциите на пълно окисление (горене) са възможни и реакции на непълно окисление.

Примери за реакции на непълно окисление на органични вещества:

1) каталитично окисление на алкани

2) каталитично окисление на алкени

3) окисляване на алкохоли

2R-CH 2 OH + O 2 → 2RCOH + 2H 2 O

4) окисление на алдехиди

Озон

Озонът O3 е по-силен окислител от O2, тъй като по време на реакцията неговите молекули се разпадат, за да образуват атомарен кислород.

Чистият O 3 е син газ, много отровен.

K + O 3 = KO 3 калиев озонид, червен.

PbS + 2O 3 = PbSO 4 + O 2

2KI + O 3 + H 2 O = I 2 + 2KON + O 2

Последната реакция се използва за качествено и количествено определяне на озон.