Все мы дышим воздухом, который в основном состоит из молекул азота и кислорода с незначительным добавлением других элементов. Таким образом, кислород является одним из наиважнейших химических элементов. Кроме того, молекулы его существуют в огромном множестве химических соединений, использующихся в повседневной жизни. Для описания всех свойств данного элемента не хватит и ста страниц, поэтому ограничимся основными фактами из истории, а также базовыми характеристиками элемента – валентность и степень окисления кислорода, удельный вес, применение, основные физические свойства.
История открытия химического элемента
Официальной датой открытия химического элемента «кислород» является 1 августа 1774 года. Именно в этот день британский химик Дж. Пристли завершил свой эксперимент по разложению оксида ртути, находящегося в герметично закрытом сосуде. По завершении эксперимента ученый получил газ, который поддерживал горение. Однако это открытие осталось незамеченным даже самим ученым. Мистер Пристли думал, что у него получилось выделить не новый элемент, а составную часть воздуха. Своими результатами Джозеф Пристли поделился с известнейшим французским ученым и химиком Антуаном Лавуазье, который смог понять то, чего не удалось сделать англичанину. В 1775 году Лавуазье сумел установить, что получившаяся «составная часть воздуха» на самом деле является независимым химическим элементом, и назвал его oxygen, что в переводе с греческого означает «образующий кислоты». Лавуазье тогда считал, что кислород находится во всех кислотах. Впоследствии были выведены формулы кислот, не содержащих атомы кислорода, однако название прижилось.
Кислород – особенности строения молекулы
Данный химический элемент являет собой бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса. Химическая формула – О2. Химики называют обычный двухатомный кислород либо «атмосферный кислород», либо «дикислород».
Валентность и степень окисления кислорода
Под валентностью химического элемента имеют в виду его возможность присоединять к себе некоторое количество атомов другого химического элемента. Валентность атома кислорода равна двум. Валентность молекулы кислорода также равна двум, так как два атома соединены друг с другом и имеют возможность присоединить к своей структуре еще по одному атому другого соединения, то есть образовывать с ним ковалентную связь. Например, молекула воды H2O получилась в результате образования ковалентной связи между одним атомом кислорода и двух атомов водорода.
Кислород содержится во многих из известных химических соединений. Есть даже отдельный вид химических соединений – оксиды. Это вещества, полученные путем соединения практически любого химического элемента с кислородом. Степень окисления кислорода в оксидах равна -2. Однако в некоторых соединениях данный показатель может быть и другой. Об этом подробнее будет описано ниже.
Физические свойства кислорода
Обычный двухатомный кислород представляет собой газ, который не имеет цвета, запаха и вкуса. В нормальном состоянии его плотность - 1,42897 кг/м3. Вес 1 литра вещества составляет чуть меньше 1,5 грамма, то есть в чистом виде кислород тяжелее воздуха. При нагревании происходит диссоциация молекулы на атомы.
При понижении температуры среды до -189,2 оС кислород меняет свою структуру с газообразной на жидкую. При этом происходит кипение. При уменьшении температуры до -218,35 оС наблюдается изменение структуры с жидкой до кристаллической. При такой температуре кислород имеет форму голубоватых кристаллов.
При комнатной температуре кислород слаборастворим в воде – на один литр ее приходится 31 миллилитр кислорода. Растворимость с другими веществами: 220 мл на 1 литр этанола, 231 мл на 1 литр ацетона.
Химические свойства кислорода
О химических свойствах кислорода можно написать целый талмуд. Самое главное свойство кислорода – это окисление. Данное вещество является очень сильным окислителем. Кислород способен взаимодействовать практически со всеми известными элементами из таблицы Менделеева. В результате этого взаимодействия образуются оксиды, как говорилось ранее. Степени окисления кислорода в соединениях с другими элементами в основном равны -2. Примером таких соединений является вода (H2O), углекислый газ (CO2), оксид кальция, оксид лития и др. Но существует определенная категория оксидов, называемая пероксидами или перекисями. Их особенностью является то, что в данных соединениях есть пероксидная группа «-О-О-». Эта группа уменьшает окислительные свойства O2, поэтому степень окисления кислорода в пероксиде равна -1.
В соединении с активными щелочными металлами кислород образует супероксиды или надперекиси. Примером таких образований является:
- супероксид калия (KO2);
- супероксид рубидия (RbO2).
Их особенностью является то, что степень окисления кислорода в супероксидах равна -1/2.
В соединении с самым активным химическим элементом – фтором, получаются фториды. О них будет рассказано ниже.
Высшая степень окисления кислорода в соединениях
В зависимости от того, с каким веществом взаимодействует кислород, есть семь степеней окисления кислорода:
- -2 – в оксидах и органических соединениях.
- -1 – в пероксидах.
- -1/2 – в супероксидах.
- -1/3 – в неорганических озонидах (верно для трехатомного кислорода - озона).
- +1/2 – в солях катиона кислорода.
- +1 – в монофториде кислорода.
- +2 – в дифториде кислорода.
Как видим, высшая степень окисления кислорода достигается в оксидах и органических соединениях, а во фторидах он имеет даже положительную степень. Не все виды взаимодействий могут быть осуществлены естественным путем. Для образования некоторых соединений требуются особые условия, например: высокое давление, высокая температура, воздействие редкими соединениями, которые почти не встречаются в природе. Рассмотрим основные соединения кислорода с другими химическими элементами: оксиды, пероксиды и фториды.
Классификация оксидов по кислотно-основным свойствам
Существует четыре вида оксидов:
- основные;
- кислотные;
- нейтральные;
- амфотерные.
Степени окисления кислорода в соединениях данных видов равны -2.
- Основные оксиды – это соединения с металлами, обладающими низкими степенями окисления. Обычно при взаимодействии с кислотами получаются соответствующие соль и вода.
- Кислотные оксиды – оксиды неметаллов с высокой степенью окисления. При добавлении к ним воды образуется кислота.
- Нейтральные оксиды – соединения, которые не входят в реакцию ни с кислотами, ни с основаниями.
- Амфотерные оксиды – соединения с металлами, обладающими малым значением электроотрицательности. Они, в зависимости от обстоятельств, проявляют свойства и кислотных, и основных оксидов.
Пероксиды, степень окисления кислорода в пероксиде водорода и других соединениях
Пероксидами называются соединения кислорода со щелочными металлами. Они получаются путем сгорания данных металлов в кислороде. Пероксиды органических соединений чрезвычайно взрывоопасны. Они также могут быть получены путем поглощением оксидами кислорода. Примеры пероксидов:
- пероксид водорода (H2O2);
- пероксид бария (BaO2);
- пероксид натрия (Na2O2).
Всех их объединяет то, что в них содержится кислородная группа -O-O-. Вследствие этого степень окисления кислорода в пероксидах равна -1.
Другими видами пероксидов являются:
- надпероксиды (супероксиды, в которых кислород имеет окисление -1/2);
- неорганические озониды (крайне неустойчивые соединения, имеющие в своей структуре анион озона);
- органические озониды (соединения, имеющие в своей структуре связь -O-O-O-).
Фториды, степень окисления кислорода в OF2
Фтор – наиболее активный элемент из всех ныне известных. Поэтому при взаимодействии кислорода с фтором получаются не оксиды, а фториды. Они названы так потому, что в данном соединении не кислород, а фтор является окислителем. Фториды невозможно получить естественным путем. Их только синтезируют, добывая путем ассоциации фтора с водным раствором KOH. Фториды кислорода делятся на:
- дифторид кислорода (OF2);
- монофторид кислорода (O2F2).
Рассмотрим более подробно каждое из соединений. Дифторид кислорода по своей структуре является бесцветным газом с ярко выраженным неприятным запахом. При охлаждении конденсируется в желтоватую жидкость. В жидком состоянии плохо смешивается с водой, зато хорошо с воздухом, фтором и озоном. По химическим свойствам дифторид кислорода – очень сильный окислитель. Степень окисления кислорода в OF2 равна +1, то есть в этом соединении фтор является окислителем, а кислород – восстановителем. OF2 очень токсичен, по степени токсичности превышает чистый фтор и приближается к фосгену. Основной вид использования данного соединения – в качестве окислителя для ракетного топлива, так как дифторид кислорода не взрывоопасен.
Монофторид кислорода в нормальном состоянии является твердым веществом желтоватого цвета. При плавлении образует жидкость красного цвета. Является мощнейшим окислителем, при взаимодействии с органическими соединениями чрезвычайно взрывоопасен. В данном соединении кислород проявляет степени окисления, равные +2, то есть и в этом фторовом соединении кислород выступает восстановителем, а фтор – окислителем.
Озон и его соединения
Озон – это молекула, имеющая три атома кислорода, связанных друг с другом. В нормальном состоянии является газом голубого цвета. При охлаждении образует жидкость глубокого синего цвета, близкого к индиго. В твердом состоянии являет собой кристаллы темно-синего цвета. Озон обладает резким запахом, в природе его можно ощутить в воздухе после сильной грозы.
Озон, как и обычный кислород, является очень сильным окислителем. По химическим свойствам приближается к сильным кислотам. При воздействии с оксидами озон повышает их степень окисления с выделением кислорода. Но при этом понижается степень окисления кислорода. В озоне химические связи не столь прочны, как в O2, поэтому в нормальных условиях без приложенных усилий он может распасться на кислород с выделением энергии тепла. При повышении температуры воздействия на молекулу озона и при понижении давления процесс распада на двухатомный кислород с выделением тепла ускоряется. При этом, если в пространстве большое содержание озона, то данный процесс может сопровождаться взрывом.
Так как озон является очень сильным окислителем и практически во всех процессах с его участием выделяется большое количество O2, то озон является чрезвычайно токсичным веществом. Однако в верхних слоях атмосферы слой озона играет роль отражателя от ультрафиолетового излучения солнечных лучей.
Из озона с помощью лабораторных инструментов создают органические и неорганические озониды. Это весьма нестабильные по своей структуре вещества, поэтому их создание в природных условиях невозможно. Хранятся озониды только при низких температурах, так как при обычной температуре они чрезвычайно взрывоопасны и токсичны.
Применение кислорода и его соединений в промышленности
Благодаря тому, что в свое время ученые узнали, какая степень окисления у кислорода при взаимодействии с другими элементами, он и его соединения получили широкое применение в промышленности. Особенно после того, как в середине двадцатого века были изобретены турбодетандеры – агрегаты, способные преобразовывать потенциальную энергию кислорода в механическую.
В химической промышленности кислород используется как окислитель углеводородов в кислотосодержащих соединениях, таких как спирты, кислоты и т. д. В медицине используется при пониженном давлении для лечения больных с проблемами с легкими, для поддержания жизнедеятельности организма. В сельском хозяйстве небольшие дозы чистого кислорода используют для разведения рыбы в прудах, для увеличения удельного веса рогатого скота и т. д.
Кислород – мощный окислитель, без которого невозможно существование
Выше много было написано о том, какие кислород проявляет степени окисления при вступлении в реакцию с различными соединениями и элементами, какие виды соединений кислорода существуют, какие виды опасны для жизни, а какие нет. Одно может остаться непонятным – как при всей своей токсичности и высоком уровне окисления кислород является одним из элементов, без которых невозможна жизнь на Земле? Дело в том, что наша планета является очень сбалансированным организмом, который приспособился именно к тем веществам, которые содержатся в атмосферном слое. Она участвует в круговороте, который выглядит следующим образом: человек и все остальные животные потребляют кислород и вырабатывают углекислый газ, а растения в подавляющем большинстве потребляют углекислый газ и вырабатывают кислород. Все в мире взаимосвязано, и потеря одного звена этой цепочки может привести к разрыву всей цепи. Следует не забывать об этом и беречь жизнь на планете целиком, а не только отдельных ее представителей.
