Неорганическая химия

 Главная   Общая  Неорганическая  Органическая  Физическая  Поиск реакции 

КИСЛОРОД

Общая характеристика

     Кислород (символ О от латинского Oxygenium) - элемент 6 группы периодической системы, порядковый номер 8, электронное строение атома 1s22s22p6. В соединениях проявляет степени окисления -2 и -1. Кислород - наиболее электроотрицательный элемент после фтора.

    Элемент кислород имеет три стабильных изотопа - 16О (молярная масса 0,9975), 17О (0,0004) и 18О (0,002).

     На Земле кислород встречается как в свободном виде (в атмосфере - объемная доля кислорода в воздухе 0,21, массовая 0,23), так и в виде воды и всевозможных минералов, в основном алюмосиликатов. Массовая доля кислорода в земной коре составляет 0,47, молярная - 0,58.

Простые вещества.

Кислород образует два простых вещества - молекулярный кислород О2 (часто называют просто кислород) и озон - О2. Молекула кислорода О2 неполярна, содержит два неспаренных электрона (является бирадикалом), ее строение можно передать формулами:

или

Энергия диссоциации молекулы кислорода составляет 494 кДж/моль.

Строение молекул озона может быть записано так:

Валентный угол в молекуле озона составляет 116,5o, центральному атому кислорода приписывают степень окисления +4. Молекула озона полярна.

Физические свойства.

Кислород - бесцветный газ, не имеет запаха, температура плавления -219oС, кипения -183oС, растворимость в воде при 0oС 4,9 объема кислорода в одном объеме воды.

Озон - газ синего цвета с характерным запахом, ядовит, температура плавления -193oС, кипения -112oС. В твердом и жидком состоянии взрывчат. растворимость в воде при 0oС составляет 49 объемов водном объеме воды.

Химические свойства кислорода

Молекулярный кислород является сильным окислителем и взаимодействует непосредственно со всеми простыми веществами, кроме галогенов, золота, платины и инертных газов. Большинство реакций с участием кислорода протекает с выделением света и теплоты - такие процессы называются горением.

Кислород взаимодействует с неметаллами:

а) водородом:

2H2 + O2 = 2H2O

- в результате горения водорода в кислороде температура достигает 3000oС.

б) сера горит в кислороде синим пламенем:

S + O2 = SO2

в) взаимодействие с азотом - одна из немногих эндотермических реакций с участием кислорода , протекает при t>2000oС:

N2 + O2 = 2NO

г) фосфор сгорает в избытке киклорода с образованием P2O5:

4P + 5O2 = 2P2O5

медленное окисление фосфора при недостатке кислорода приводит к P2O3:

4P + 3O2 = 2P2O3

д) углерод (графит, алмаз, сажа) горит в кислороде:

C + O2 = CO2

е) щелочные металлы горят в кислороде, причем оксид образует только литий, остальные щелочные металлы образуют пероксиды и надпероксиды ('супероксиды'):

4Li + O2 = 2Li2O
2Na + O2 = Na2O2
2K + O2 = K2O2 (и K2O4)

ж) при сгорании в кислороде щелочноземельных металлов и магния образуются оксиды:

2Mg + O2 = 2MgO
2Ca + O2 = 2CaO

з) переходные металлы при непосредственном взаимодействии с кислородом образуют оксиды в наиболее устойчивой степени окисления. Часто состав продуктов реакции зависит от условий ее протекания, например:

Fe + 3O2 = 2Fe2O3

- при медленном окислении железа или горении в кислороде очень тонкого порошка железа,

3Fe + 2O2 = Fe3O4

- горение в кислороде компактного металла (проволоки, листа и т.д.)

Кислород взаимодействует со сложными веществами:

а) многие сложные вещества горят в кислороде, например:

СH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

Часто, в зависимости от избытка-недостатка кислорода или присутствия катализаторов могут быть получены различные продукты, например:

2H2S + O2 = 2H2O + S - при недостатке кислорода
2H2S + 3O2 = 2H2O + 2SO2 - при избытке кислорода
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O - в отсутствии катализатора
4NH3 + 5О2 = 4NO + 6H2O - в присутствии платино-родиевого катализатора

б)окисляет некоторые соли в водном растворе, например:

4FeCl2 + O2 + 4HCl = 4FeCl3 + 2H2O
2Na2SO4 + O2 = 2Na2SO4

    Почти все вышеперечисленные реакции протекают, если вместо чистого кислорода использовать воздух. Единственным отличием в случае использования воздуха будет более низкая интенсивность процессов. Например, лучинка на воздухе тлеет, а в чистом кислороде сгорает ослепительно-белым пламeнем.

ОЗОН

Особенности химических свойств озона.

Озон - исключительно сильный окислитель, взаимодействует со многими веществами, с которыми кислород при обычных условиях не реагирует:

а) окисляет KI в водном растворе:

2KI + O3 + H2O = I2 + 2KOH + O2

- эта реакция используется для обнаружения озона - даже небольшие количества иода легко определяются по синему окрашиванию с крахмалом.

б) окисляет серебро:

Ag + O3 = AgO + O2

в) окисляет некоторые соли, например:

PbS + 2O3 = PbSO4+ O2

При взаимодействии с пероксидом водорода озон ведет себя как восстановитель:

H2O2 + O3 = H2O + 2O2

Озон самопроизвольно разлагается:

2O3 = 3O2

Получение кислорода.

В промышленности кислород получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Процесс основан на разнице в температурах кипения основных компонентов воздуха - азота (-196оС) и кислорода (-183оС). В кипящем жидком воздухе содержание азота уменьшается, а кислорода - возрастает. Получающийся в результате кислород содержит около 2% примесей, в основном СО, СО2 и инертные газы.

В лабораторных и полупромышленных условиях кислород полуают:

а) разложением при нагревании нитратов, хлоратов, пермарганата калия:

2KNO3 = 2KNO2 + O2
2KClO3 = 2KCl + 3O2
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2

б) электролизом водных растворов щелочей, на аноде при этом происходит процесс:

4OH-- 4e = 2H2O + O2

в) разложением пероксида водорода в присутствии катализаторов (MnO2):

H2O2 = 2H2O + O2

г) термическим разложением оксидов, например:

4MnO2 = 2Mn2O3 + O2 - при 700оС
3MnO2 = Mn3O4 + O2 - при 1000оС

д) термическим разложением пероксида бария:

2BaO2 = 2BaO + O2

е) для регенерации (восстановления нормального состава) воздуха в замкнутых объемах используют эквимолярную (с молярным отношением компонентов 1:1) смесь пероксида и надпероксида калия:

2K2O2 + 2CO2 = 2K2CO3 + O2
2K2O4 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3O2

Реакция идет в присутствии небольших количеств воды (достаточно той воды, которая содержится в воздухе в виде паров), на 1 объем поглощенного СО2 выделяется 1 объем кислорода.

Получение озона.

Озон в промышленности и лаборатории получают озонированием кислорода в специальных приборах - озонаторах - тлеющим разрядом по реакции:

2 = 2О3           Н = +285кДж


Применение кислорода и озона.

Кислород применяется:

а) для активации металлургических процессов

б) для сварки и резки металлов

в) в медицине

г) как окислитель ракетного топлива

д) для жизнеобеспечения людей в замкнутых объемах (подводная лодка, космический корабль и т.д.)

Огромное число технологических процессов основано на “неявном” использовании кислорода - использовании его без выделения из воздуха в свободном состоянии - например при сжигании углеводородного топлива, при работе двигателя внутреннего сгорания и т.д.

Озон применяют для:

а) обеззараживания воды

б) обеззараживания токсичных промышленных выбросов.



    © Короленко М.В., 2009-2016                      *7663*18*49*

          Индекс цитирования          Эта страница помогла? Покажите ее друзьям!