 |
V . Физические и химические свойства кислорода.
|
|
|
|
Химический элемент кислород образует два простых вещества - кислород О2 и О3 различные по физическим свойствам.
Кислород О2— газ, не имеющий цвета и запаха. Молекула его О2. Она парамагнитна (притягивается магнитом), так как в ней содержатся два неспаренных электрона. Строение молекулы кислорода можно представить в виде следующих структурных формул:
О — О или О — О
Атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул. Межатомное расстояние в молекуле О2 0,12074 нм. Молекулярный кислород (газообразный и жидкий) — парамагнитное вещество, в каждой молекуле О2 имеется по 2 неспаренных электрона. Этот факт можно объяснить тем, что в молекуле на каждой из двух -разрыхляющих орбиталей находится по одному неспаренному электрону.
Энергия диссоциации молекулы О2 на атомы довольно высока и составляет 493,57 кДж/моль.
Молекула кислорода О2 довольно инертна. Устойчивость молекулы кислорода и высокая энергия активации большинства реакций окисления обусловливают то, что при низкой и комнатной температурах многие реакции с участием кислорода протекают с едва заметной скоростью. Только при создании условий для появления радикалов — О — или R—О—О—, возбуждающих цепной процесс, окисление протекает быстро. В этом случае применяют, например, катализаторы, которые способны ускорить окислительные процессы.
При нормальных условиях плотность газа кислорода 1,42897 кг/мЗ. Температура кипения жидкого кислорода (жидкость имеет голубой цвет) -182,9°С. При температурах от -218,7°С до -229,4°С существует твердый кислород с кубической решеткой (-модификация), при температурах от -229,4°С до -249,3°С — -модификация с гексагональной решеткой и при температурах ниже -249,3°С — кубическая -модификация. При повышенном давлении и низких температурах получены и другие модификации твердого кислорода.
|
|
|
При 20°С растворимость газа О2: 3,1 мл на 100 мл воды, 22 мл на 100 мл этанола, 23,1 мл на 100 мл ацетона. Существуют органические фторсодержащие жидкости (например, перфторбутилтетрагидрофуран), в которых растворимость кислорода значительно более высокая.
Высокая прочность химической связи между атомами в молекуле О2приводит к тому, что при комнатной температуре газообразный кислород химически довольно малоактивен. В природе он медленно вступает в превращения при процессах гниения. Кроме того, кислород при комнатной температуре способен реагировать с гемоглобином крови, что обеспечивает перенос кислорода от органов дыхания к другим органам.
Со многими веществами кислород вступает во взаимодействие без нагревания, например, с щелочными и щелочноземельными металлами (образуются соответствующие оксиды типа Li2O, CaO и др., пероксиды типа Na2О2, BaO2 и др. и супероксиды типа КО2, RbО2 и др.), вызывает образование ржавчины на поверхности стальных изделий. Без нагревания кислород реагирует с белым фосфором, с некоторыми альдегидами и другими органическими веществами.
При нагревании, даже небольшом, химическая активность кислорода резко возрастает. При поджигании он реагирует со взрывом с водородом, метаном, другими горючими газами, с большим числом простых и сложных веществ.
Обычный атмосферный кислород состоит из смеси трех изотопов: 16О(99,7%), 17О(0,01%), 18О(0,2%). Ввиду того что содержание изотопов 17О и 18О в кислороде небольшое по сравнению с изотопом 16О, атомная масса кислорода принята равной 15,9994 у. е.
В зависимости от природных условий изотопный состав кислорода может изменяться, то обогащаясь тяжелыми изотопами, то обедняясь ими. Так, молекулы воды Н216О переходят в парообразное состояние относительно легче, чем молекулы Н217О и Н218О. Поэтому в состав водяных паров, испаряющихся из моря, входит кислород с относительно меньшим содержанием тяжелых изотопов, чем кислород, остающийся в морской воде.
|
|
|
С помощью атомов тяжелого изотопа кислорода 18О удалось выяснить «происхождение» кислорода, выделяемого растениями в процессе фотосинтеза. Раньше считали, что это кислород, высвобожденный из молекул оксида углерода, а не воды. В настоящее время стало известно, что растения связывают кислород оксида углерода, а в атмосферу возвращают кислород из воды.
Кислород образует соединения со всеми элементами, кроме некоторых благородных газов (гелия, неона, аргона). Так, с большинством металлов кислород реагирует уже при комнатной температуре, например:
2Na° + О2° = Na2+102-2
Na° -1(ё) Na+1 2 восстановитель
O2° +2(ё) 2 2O-2 окислитель
2Zn° + O2° = 2Zn+2O-2
Zn° -2(ё) Zn+2 восстановитель
O2° +2(ё) 2 2O-2 окислитель
С неметаллами кислород реагирует, как правило, при нагревании. Так, с фосфором кислород активно реагирует при температуре 60°С:
4Р° + 502° = 2Р2+505-2
P° -5(ё) P+5 2 восстановитель
O2° +2(ё) 2 2O-2 5 окислитель
с серой — при температуре около 250°С:
S° + 02° = S+402-2
S° -4(ё) S+4 восстановитель
O2° +2(ё) 2 2O-2 2 окислитель
с углеродом (в виде графита) — при 700—800°С:
С° + О2° = С+4О2-2
C° -4(ё) C+4 восстановитель
O2° +2(ё) 2 2O-2 2 окислитель
Взаимодействие кислорода с азотом начинается лишь при 1200°С или в электрическом разряде:
N2 + О2 2NO - Q.
Кислород реагирует и со многими сложными соединениями, например, с оксидами азота он реагирует уже при комнатной температуре:
2N+2O + О2° = 2N+4О2-2
N+2 -2(ё) N+4 1 восстановитель
O2° +2(ё) 2 2O-2 2 окислитель
Сероводород, реагируя с кислородом при нагревании, дает серу:
2H2S-2 + О2° = 2S° + 2Н2О-2
S-2 -2(ё) S° восстановитель
O2° +2(ё) 2 2O-2 окислитель
или оксид серы (IV)
2H2S + ЗО2 = 2SO2 + 2Н2О
в зависимости от соотношения между кислородом и сероводородом.
В приведенных реакциях кислород является окислителем. В большинстве реакций окисления с участием кислорода выделяется тепло и свет — такие процессы называются горением.
|
|
|
Аллотропной модификацией кислорода является озон. Молекула его трехатомна — О3. Строение ее можно представить следующей структурной формулой:
О
О
О
Всякое изменение числа или расположения одних и тех же атомов в молекуле влечет за собой появление качественно нового вещества с иными свойствами. Озон по своим свойствам отличается от кислорода. В обычных условиях это газ синего цвета, с резким раздражающим запахом. Название его происходит от греческого слова «озейн», что означает запах. Он токсичен. В отличие от кислорода молекула озона характеризуется большой молекулярной массой, поляризуемостью и полярностью. Поэтому озон имеет более высокую температуру кипения (—111,9°С), чем кислород (— 182,9°С), интенсивную окраску и лучшую растворимость в воде.
В естественных условиях озон образуется из кислорода при грозовых разрядах, а на высоте 10—30 км — при действии ультрафиолетовых солнечных лучей. Он задерживает вредное для жизни ультрафиолетовое излучение Солнца. Кроме этого, озон поглощает инфракрасные лучи Земли, препятствуя ее охлаждению. Следовательно, аллотропная форма кислорода — озон — играет большую роль в сохранении жизни на Земле.
Образование озона сопровождается выделением атомного кислорода. Это в основном цепные реакции, в которых появление активной частицы (она обозначается обычно знаком *) вызывает большое число (цепь) последовательных превращений неактивных молекул, например O2. Цепную реакцию образования озона из кислорода можно выразить следующей схемой:
О2 + hv — О2*
*O2 + O2 = O3 + O
О + О2 = О3,
или суммарно:
3О2 = 2О3
В технике озон получают при электрических разрядах в озонаторах.
Молекула О3 неустойчива, и при большой концентрации озон распадается с взрывом:
2О2 = 3О2
Окислительная активность озона намного выше, чем у кислорода. Например, уже в обычных условиях озон окисляет такие малоактивные простые вещества, как серебро и ртуть с образованием их оксидов и кислорода:
|
|
|
8Ag + 2O3 = 4Ag2O + O2
Как сильный окислитель, озон используется для очистки питьевой воды, для дезинфекция воздуха. Воздух хвойных лесов считается полезным, так как в нем содержится небольшое количество озона, который образуется при окислении смолы хвойных деревьев.
Еще более сильным окислителем, чем кислород О2, является озон О3 (аллотропическая модификация кислорода). Он образуется в атмосфере при грозовых разрядах, чем объясняется специфический запах свежести после грозы.
В лабораториях озон получают пропусканием разряда через кислород (реакция эндотермическая):
302 203 - 284 кДж.
При взаимодействии озона с раствором иодида калия выделяется иод, тогда как с кислородом эта реакция не идет:
2KI + 03 + Н20 = I2 + 2КОН + 02.
Реакция часто используется как качественная для обнаружения ионов I- или озона. Для этого в раствор добавляют крахмал, который дает характерный синий комплекс с выделившимся иодом. Реакция качественная еще и потому, что озон не окисляет ионы Cl- и Br-
Имеется еще одна модификация кислорода - четырехатомная (О4):
O — O
O — O
Эта модификация образуется при слабом взаимодействии двух молекул кислорода. Содержание четырехатомных молекул в газообразном кислороде в обычных условиях составляет всего лишь 0,1% от общего числа молекул, в жидком и твердом кислороде — до 50%. Существует равновесие:
2О2 — О4
При низких температурах оно смещено вправо, т. е. в сторону образования молекул О4. Структурные изменения молекул вызывают различия в свойствах веществ. Так, жидкий и твердый кислород в отличие от газообразного окрашены в синий цвет.
Кислород при нагревании взаимодействует с водородом с образованием воды. При поджигании смеси обоих газов в объемных пропорциях 2:1 (гремучий газ) реакция протекает со взрывом. Но она может протекать и спокойно, если эту смесь привести в соприкосновение с очень малым количеством мелкораздробленной платины, играющей роль катализатора:
2Н2 + О8 = 2 Н20 + 572,6 кдж/моль
Кислород непосредственно может окислять все металлы. Если металл обладает высокой летучестью, то процесс окисления обычно идет в виде горения. Горение же малолетучих металлов в кислороде может осуществляться при условии высокой летучести образующегося оксида. Эффективность этого процесса зависит от восстановительной активности металла и характеризуется величиной теплоты образования получающегося продукта. Продукты взаимодействия металлов с кислородом (оксиды) могут быть основным, кислотными и амфотерными.
|
|
|
При горении некоторых активных металлов в кислороде иногда образуются не их оксиды, а надпероксиды и пероксиды. Так, при горении калия и рубидия образуются надпероксиды этих металлов:
K + O2 = KO2
Связано это с тем, что молекула кислорода может присоединять или терять электроны с образованием молекулярных ионов типа О2-2, O2- и O2+. Присоединение одного электрона к кислороду вызывает образование надпероксид-иона O2:
О — О + ё = [ О — О ]-
Наличие непарного электрона в ионе О2- обусловливает парамагнетизм надпероксидов.
Присоединяя два электрона, молекула кислорода пре
вращается в пероксид-ион О2-2, в котором атомы связа
ны одной двухэлектронной связью, и поэтому он диамагнитен:
О — О + 2ё = [ О — О ]-2
Например, взаимодействие бария с кислородом идет с образованием пероксида BaO2:
Ва + О2 = ВаО2
VI. Получение кислорода.
Многообразие химических соединений, содержащих кислород, и их доступность позволяют получать кислород различными способами. Все способы получения кислорода можно разделить на две группы: физические и химические. Большинство из них относится к химическим, т. е. в основе получения кислорода лежат те или иные реакции. Например, когда необходим особо чистый кислород, его получают из воды путем разложения ее. Рассмотрим этот способ.
В сосуд, наполненный электролитам (дистиллированная вода, подкисленная серной кислотой), опускают электроды, чаще всего платиновые, и пропускают электрический ток. Положительно заряженные ионы водорода перемещаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицательно заряженные гидроксид-ионы ОН- и сульфат-ионы SO42- направляются к положительно заряженному электроду (аноду). На электродах ионы разряжаются. Следует заметить, что разряд ионов Н+ и ОН- происходит намного легче, чем сульфат-ионов SO42- Таким образом, на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород:
4Н+ + 4ё — 2Н2
4ОН- - 4ё — 2Н2О + О2
Выделяющиеся газы собирают в разные сосуды или непосредственно используют.
В условиях школьной лаборатории в качестве электролита удобнее воспользоваться раствором щелочи. Тогда электроды можно изготовить из железной проволоки или листа. В щелочной среде разрядке на катоде подвергаются непосредственно молекулы воды:
Н2О + ё — Н° + Н-
Н° + Н° — H2
Для опыта используют лабораторный электролизер. Это U-образная трубка из стекла, в которую впаяны электроды. При электролитическом способе получают достаточно чистый кислород (0,1% примесей).
Рассмотрим еще один химический способ получения кислорода. Если нагревать оксид бария ВаО до 540СС, то он присоединяет атмосферный кислород с образованием пероксида бария ВаО2. Последний при нагревании до 870°С разлагается, и выделяется кислород:
2ВаО + О2 = 2ВаО2
2ВаО2 = 2ВаО + О2
Пероксид бария выполняет роль переносчика кислорода.
В прошлом столетии были разработаны установки для получения кислорода этим способом. Они включали в себя вертикально расположенные емкости, которые имели систему подогрева. Через нагретый до 400 — 500°С оксид бария пропускали ток воздуха. После образования пероксида бария подачу воздуха прекращали, а емкости нагревали до 750°С (температура разложения ВаО2).
С развитием техники получения низких температур был разработан физический способ получения кислорода из атмосферного воздуха. Он основан на глубоком охлаждении воздуха и использовании различия в температурах кипения газов, входящих в состав воздуха.
Жидкий воздух, получаемый в холодильных установках, представляет собой смесь, состоящую из 79% азота и 21 % кислорода по объему. Жидкий азот кипит при температуре — 195,8°С, а жидкий кислород — при температуре — 182,9°С. На разности температур кипения азота и кислорода основано их разделение. Для полного разделения жидкого кислорода и газообразного азота применяют многократное испарение жидкого воздуха, сопровождающееся конденсацией его паров. Этот процесс носит название фракционной перегонки или ректификации. В настоящее время этот способ стал основным способом получения технического кислорода (дешевое сырье и большая производительность установок). Жидкий кислород хранят и перевозят в специально приспособленных для этого емкостях-цистернах и танках, снабженных хорошей теплоизоляцией.
Поскольку физический способ получения кислорода широко используют в промышленности, химические способы получения практически утратили свое техническое значение и служат для получения кислорода в лаборатории.
В связи с развивающимся научно-техническим прогрессом людей всего мира начинает тревожить судьба кислорода и загрязненность атмосферы. Во многих городах уже сейчас становится трудно дышать. По данным мировой статистики, все автомобили только за час работы выбрасывают в воздух до 600 тыс. т ядовитого оксида углерода СО. При сгорании 1 т бензина в автомашине образуется 600 кг оксида углерода СО. В настоящее время мировой автомобильный парк насчитывает 190 млн. машин. По прогнозам специалистов в 1980 г. их число превысит 200 млн. Эти цифры заставляют задуматься.
Отравление воздуха автомобильными выхлопными газами приняло угрожающий характер в таких городах, как, Токио, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Рим, Москва. Кроме этого, атмосферу загрязняют и другие вредные газы (SO2, H2S), зола, дым, выбрасываемые многими предприятиями. В результате за последние 100 лет количество солнечных дней вокруг промышленных центров уменьшилось на четверть: там, где их было 200, стало 150. Во всех крупных городах мира в результате густых грязных туманов солнечное освещение уменьшилось по сравнению с началом XX в. на 10—30%. В Лондоне в 1952 г. за несколько дней, пока в воздухе стоял грязный и непригодный для дыхания туман, погибло около 4000 человек. Поэтому борьба за чистоту воздуха стала одной из актуальных проблем современной гигиены.
Известно, что зеленые растения — непревзойденные очистители и санитары земной атмосферы. Фотосинтез — единственный процесс, который уже около 2 млрд. лет поддерживает круговорот кислорода в атмосфере Земли. Зеленые растения — это исполинская лаборатория, вырабатывающая кислород и поглощающая оксид углерода СО2. Ученые подсчитали, что растения земного шара ежегодно поглощают около 86,5 млрд. т оксида СО2. В связи с этим создание зеленых парков вокруг больших городов, устройство садов, разбивка скверов и цветников — составная часть современного градостроительства, столь же необходимая, как устройство водопровода и уличного освещения. Подсчитано, что в зоне зеленых насаждений Москвы, Ленинграда, Харькова запыленность воздуха в 2—3 раза меньше, чем на прилегающих улицах.
В течение последних лет в России остро стоит проблема лесных пожаров. Тысячи гектаров лесных насаждений гибнут в огне. Я считаю, что если не будут приняты чрезвычайные меры по тушению пожаров, восстановлению лесных массивов в ближайшее время нас ждет экологическая катастрофа. Горят заповедники, леса, гибнут уникальные растения, животные. В теплое время года города, села… окутаны дымом. Вредные вещества в большом количестве содержаться в воздухе, которым мы дышим. В связи, с чем возникают или обостряются различные хронические заболевания у людей, снижается иммунитет. Рождаются дети с врожденными пороками развития, иммунодефицитом, поражением центральной нервной системы…
Охрана природы, заповедников существует давно. Но вероятно, на данном этапе развития нашей страны этот вопрос остался на последнем месте. Необходимо всем людям одуматься и бережно относиться к нашей природе. Ведь 95% всех лесных пожаров возникают по их вине.
|
|
|
