Какими химическими свойствами обладает кислород

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 OF2 и O2F2.

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 16О, 17О и 18О (преобладает 16О). 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 км3 ( 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 О2 и озона О3.

3О2 = 2О3 – 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 О2 менее активен, чем озон. Электроотрицательность кислорода 3,5.

Физические свойства кислорода

O2 – газ без цвета, запаха и вкуса, т.пл. –218,7 °С, т.кип. –182,96 °С, парамагнитен.

Жидкий O2 голубого, твердый – синего цвета. O2 растворим в воде (лучше, чем азот и водород).

Получение кислорода

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

2Н2О → 2Н2 + О2

2.  В лаборатории кислород получают:
1.Электролизом щелочных водных растворов или водных растворов кислородосодержащих солей (Na2SO4 и др.)

2. Термическим разложением перманганата калия KMnO4:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2↑,

Бертолетовой соли  KClO3:
2KClO3 = 2KCl + 3O2↑      (катализатор MnO2)

Оксида марганца (+4) MnO2:
4MnO2 = 2Mn2O3 + O2↑      (700 oC),

3MnO2 = 2Mn3O4 + O2↑      (1000 oC),

Пероксид бария BaO2 :
2BaO2 = 2BaO + O2↑

3. Разложением пероксида водорода:
2H2O2 = H2O + O2↑           (катализатор MnO2)

4. Разложение нитратов:
2KNO3 → 2KNO2 + O2

На космических кораблях и подводных лодках кислород получают из смеси K2O2 и K2O4:
2K2O4 + 2H2O = 4KOH +3O2↑
4KOH + 2CO2 = 2K2CO3 + 2H2O

Суммарно:
2K2O4 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3О2 ↑

Когда используют K2O2, то суммарная реакция выглядит так:
2K2O2 + 2CO2 = 2K2CO3 + O2 ↑

Если смешать K2O2 и K2O4 в равномолярных (т.е. эквимолярных) количествах, то на 1 моль поглощенного  СО2  выделится один моль О2.

Химические свойства кислорода

Кислород поддерживает горение.  Горение — быстрый 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 2s2 2p4  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 + O2 → 2Li2O,

2K + O2 → K2O2,

2Ca + O2 → 2CaO,

2Na + O2 → Na2O2,

2K + 2O2 → K2O4

Мелкий порошок железа ( так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe2O3, а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:

3 Fe + 2O2 → Fe3O4

2Mg + O2 → 2MgO

2Cu + O2  → 2CuO

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

S + O2 → SO2,

C + O2 → CO2,

2H2 + O2 → H2O,

4P + 5O2 → 2P2O5,

Si + O2 → SiO2, и т.д

Почти все реакции с участием кислорода O2 экзотермичны, за редким исключением, например:

N2 + O2 → 2NO – Q

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

Кислород способен окислить сложные вещества, например:

2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O   (избыток кислорода),

2H2S + O2 → 2S + 2H2O   (недостаток кислорода),

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O   (без катализатора),

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O   (в присутствии катализатора Pt ),

CH4 (метан) + 2O2 → CO2 + 2H2O,

4FeS2 (пирит) + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2.

Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O2+, например, O2+ [PtF6]— (успешный синтез этого соединения  побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).

Озон химически более активен, чем кислород O2. Так, озон окисляет иодид — ионы I—  в растворе  Kl:

O3 + 2Kl + H2O = I2 + O2 + 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 O2: 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 О3: для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.

Биологическая роль р-элементов VIA группы. Применение их соединений в медицине