КИСЛОРОД
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.
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.
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.
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:
- в результате горения водорода в кислороде температура достигает 3000oС.
б) сера горит в кислороде синим пламенем:
в) взаимодействие с азотом - одна из немногих эндотермических реакций с участием кислорода , протекает при t>2000oС:
г) фосфор сгорает в избытке киклорода с образованием P2O5:
медленное окисление фосфора при недостатке кислорода приводит к P2O3:
д) углерод (графит, алмаз, сажа) горит в кислороде:
е) щелочные металлы горят в кислороде, причем оксид образует только литий, остальные щелочные металлы образуют пероксиды и надпероксиды ('супероксиды'):
ж) при сгорании в кислороде щелочноземельных металлов и магния образуются оксиды:
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:
- при медленном окислении железа или горении в кислороде очень тонкого порошка железа,
- горение в кислороде компактного металла (проволоки, листа и т.д.)
Кислород взаимодействует со сложными веществами:
а) многие сложные вещества горят в кислороде, например:
Часто, в зависимости от избытка-недостатка кислорода или присутствия катализаторов могут быть получены различные продукты, например:
б)окисляет некоторые соли в водном растворе, например:
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
Озон - исключительно сильный окислитель, взаимодействует со многими веществами, с которыми кислород при обычных условиях не реагирует:
а) окисляет KI в водном растворе:
- эта реакция используется для обнаружения озона - даже небольшие количества иода легко определяются по синему окрашиванию с крахмалом.
б) окисляет серебро:
в) окисляет некоторые соли, например:
При взаимодействии с пероксидом водорода озон ведет себя как восстановитель:
Озон самопроизвольно разлагается:
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:
б) электролизом водных растворов щелочей, на аноде при этом происходит процесс:
в) разложением пероксида водорода в присутствии катализаторов (MnO2):
г) термическим разложением оксидов, например:
д) термическим разложением пероксида бария:
е) для регенерации (восстановления нормального состава) воздуха в замкнутых объемах используют эквимолярную (с молярным отношением компонентов 1:1) смесь пероксида и надпероксида калия:
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.
Озон в промышленности и лаборатории получают озонированием кислорода в специальных приборах - озонаторах - тлеющим разрядом по реакции:
Н =
+285кДжКислород 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.