Кислород - это... Формула кислорода. Молекула кислорода

Среди всех веществ на Земле особое место занимает то, что обеспечивает жизнь, - газ кислород. Именно его наличие делает нашу планету уникальной среди всех других, особенной. Благодаря этому веществу в мире живет столько прекрасных созданий: растения, животные, люди. Кислород - это совершенно незаменимое, уникальное и чрезвычайно важное соединение. Поэтому постараемся узнать, что он собой представляет, какими характеристиками обладает.

Химический элемент кислород: характеристика

Для начала охарактеризуем местоположение данного элемента в периодической системе. Это можно сделать несколькими пунктами.

1. Порядковый номер - 8.
2. Атомная масса - 15,99903.
3. Располагается в шестой группе главной подгруппе второго периода системы.
4. Заряд ядра - +8, количество протонов - 8, электронов - 8, нейтронов - 8. Таким образом, получается дважды магическое число, благодаря чему наблюдается устойчивость основной изотопной формы ¹⁶О.
5. Латинское название элемента - oxygen. Русское - кислород, это название образовано от словосочетания "рождающий кислоты". Существует и синоним, иногда его называют оксигеном.

Отдельного внимания заслуживает разбор электронного строения атома, так как именно им объясняется устойчивость молекулы и проявляемые физические и химические свойства.

Строение молекулы

Электронная конфигурация атома представлена формулой 1s²2s²2p⁴. Из этой записи очевидно, что до завершения энергетического уровня и создания заветного октета кислороду не хватает двух электронов. Этим объясняются следующие его характеристики:

• молекула кислорода двухатомная;
• степень окисления элемента всегда -2 (кроме пероксидов и оксида фтора, в которых она меняется на -1 и +2 соответственно);
• является сильнейшим окислителем;
• легко вступает в реакции даже при обычных условиях;
• способен образовывать взрывчатые соединения.

Теперь рассмотрим вопрос о строении. Как образуется молекула кислорода? Во-первых, механизм образования ковалентный неполярный, то есть за счет обобществления электронов каждого атома. Таким образом, связь также ковалентная неполярная. При этом она двойная, так как у каждого из атомов есть по два неспаренных электрона на внешнем уровне. Можно очень просто изобразить, как выглядит кислород. Формула следующая: О₂ или О=О.

Благодаря наличию такой связи молекула очень устойчива. Для многих реакций с ее участием требуются специальные условия: повышенное давление, нагревание, использование катализаторов.

Как химический элемент кислород - это атом, имеющий три стабильно существующих в природе изотопа. Их массовые числа соответственно равны 16, 17, 18. Однако процентное соотношение очень разнится, так как ¹⁶О 99,759%, а остальных меньше 0,5%. Поэтому самый распространенный и устойчивый изотоп - именно с массовым числом 16.

Простое вещество кислород

Если говорить о данном элементе как о простом соединении, то сразу следует обозначить агрегатное состояние при обычных условиях. Кислород - газ, который не имеет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Двухатомная молекула, которая является самым распространенным на планете веществом, после водорода и благородного газа гелия.

Существуют и другие агрегатные состояния этого вещества. Так, при отрицательной температуре -183⁰С кислород конденсируется в красивую голубую жидкость. Если же превысить порог в -200⁰С, то жидкость перерастет в ярко-синие кристаллы моноклинной игольчатой формы.

Всего выделяют три основных типа существования кислорода в твердом состоянии.

1. Альфа-форма (α-О₂). Существует при температуре ниже 200 ⁰С.
2. Бета-форма (β-О₂). Температурный интервал -200-400⁰С.
3. Гамма-форма (γ-О₂). Интервал от -400 до -500⁰С.

Кислород - это один из самых важных и значимых газов. Не только для жизни живых существ на планете, но и для природы в целом. Сложно назвать природный минерал или соединение, в состав которого бы он не входил как элемент.

История открытия

Первые упоминания о том, что в составе воздуха есть какой-то газ, поддерживающий процессы горения, появилось еще в VIII веке. Однако тогда изучить его, доказать существование и открыть не было технической возможности. Лишь спустя почти тысячелетие, в XVIII веке это было сделано, благодаря работе нескольких ученых.

1. 1771 год Карл Шееле опытным путем установил состав воздуха и выяснил, что основные два газа - это кислород и азот.
2. Пьер Байен проводит опыты по разложению ртути и ее оксида и официально фиксирует результаты.
3. 1773 год Шееле официально открывает элемент кислород, но не получает его в чистом виде.
4. 1774 год Пристли независимо от Шееле делает такое же, как и он, открытие, и получает чистый кислород разложением ртутного оксида.
5. 1775 год Антуан Лавуазье дает название этому элементу и создает теорию горения, просуществовавшую не одну сотню лет.
6. 1898 год Томпсон заставляет общество задуматься о том, что кислород воздуха может закончиться из-за больших выбросов углекислого газа в атмосферу.
7. В этом же году Тимирязев доказывает обратное, так как объясняет, что поставщиком кислорода являются зеленые растения планеты.

Таким образом, стало известно, что собой представляет кислород, какой важный и значимый для жизни это газ. После были изучены все физические и химические свойства вещества, рассмотрены способы его получения, просчитано примерное содержание в воде, земной коре, атмосфере и прочих местах планеты.

Физические свойства

Приведем основные физические параметры, которыми можно охарактеризовать рассматриваемое соединение.

1. Кислород - газ при обычных условиях, являющийся составной частью воздуха (21%). Не имеет цвета, вкуса и запаха. Легче воздуха, плохо растворим в воде.
2. Активно поглощается углем и порошками металлов, растворяется в органических веществах.
3. Температура кипения составляет -183⁰С.
4. Плавления -218,35⁰С.
5. Плотность составляет 0,0014 г/см³.
6. Кристаллическая решетка молекулярная.

Кислород обладает парамагнитными свойствами в жидком состоянии.

Химические свойства

О том, насколько активен рассматриваемый газ, как он ведет себя в реакциях с другими веществами, подробно рассказывает химия. Кислород способен проявлять несколько степеней окисления, хотя наиболее частой является -2, которая считается постоянной. Помимо нее встречаются соединения, в которых значения следующие:

• -1;
• -0,5;
• -1/3;
• +0,5;
• +1;
• +2.

Химическая активность объясняется высоким сродством к электрону, так как значение электроотрицательности по Поллингу у него 3,44. Выше лишь у фтора (4). Поэтому кислород является очень сильным окислителем. В тоже время в реакциях с еще более сильными окислителями ведет себя как восстановитель, проявляя положительную степень окисления. Например, в оксиде фтора O⁺² F₂^- .

Существует огромное количество соединений, в состав которых входит кислород. Это такие классы веществ, как:

• оксиды;
• пероксиды;
• озониды;
• надпероксиды;
• кислоты;
• основания;
• соли;
• органические молекулы.

Со всеми элементами кислород способен вступать в реакцию при обычных условиях, кроме благородных металлов, гелия, неона и аргона и галогенов. С инертными газами он не взаимодействует ни при каких условиях.

Получение в промышленности

Содержание кислорода в воздухе и воде настолько велико (21 и 88% соответственно), что основным промышленным способом его синтеза является фракционная перегонка жидкого воздуха и электролиз воды.

Особенно часто применяется первый метод. Ведь из воздуха можно выделить очень много этого газа. Однако он будет не совсем чистым. Если же необходим продукт более высокого качества, тогда в ход пускают электролизные процессы. Сырьем для этого является либо вода, либо щелочь. Гидроксид натрия или калия используют для того, чтобы увеличить силу электропроводности раствора. В целом же суть процесса сводится к разложению воды.

Получение в лаборатории

Среди лабораторных методов широкое распространение получил метод термической обработки:

• пероксидов;
• солей кислородсодержащих кислот.

При высоких температурах они разлагаются с выделением газообразного кислорода. Катализируют процесс чаще всего оксидом марганца (IV). Собирают кислород вытеснением воды, а обнаруживают - тлеющей лучинкой. Как известно, в атмосфере кислорода пламя разгорается очень ярко.

Еще одно вещество, используемое для получения кислорода на школьных уроках химии, - перекись водорода. Даже 3 % раствор под действием катализатора мгновенно разлагается с высвобождением чистого газа. Его нужно лишь успеть собрать. Катализатор тот же - оксид марганца MnO₂.

Среди солей чаще всего используются:

• бертолетова соль, или хлорат калия;
• перманганат калия, или марганцовка.

Чтобы описать процесс, можно привести уравнение. Кислорода выделяется достаточно для лабораторных и исследовательских нужд:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂↑.

Аллотропные модификации кислорода

Существует одна аллотропная модификация, которую имеет кислород. Формула этого соединения О₃, называется оно озоном. Это газ, который образуется в природных условиях при воздействии ультрафиолета и грозовых разрядов на кислород воздуха. В отличие от самого О₂, озон имеет приятный запах свежести, который ощущается в воздухе после дождя с молнией и громом.

Отличие кислорода и озона заключается не только в количестве атомов в молекуле, но и в строении кристаллической решетки. В химическом отношении озон - еще более сильный окислитель.

Кислород - это компонент воздуха

Распространение оксигена в природе очень широко. Кислород встречается в:

• горных породах и минералах;
• воде соленой и пресной;
• почве;
• растительных и животных организмах;
• воздухе, включая верхние слои атмосферы.

Очевидно, что им заняты все оболочки Земли - литосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера. Особенно важным является содержание его в составе воздуха. Ведь именно этот фактор позволяет существовать на нашей планете жизненным формам, в том числе и человеку.

Состав воздуха, которым мы дышим, чрезвычайно неоднороден. Он включает в себя как постоянные компоненты, так и переменные. К неизменным и всегда присутствующим относятся:

• углекислый газ;
• кислород;
• азот;
• благородные газы.

К переменным можно отнести пары воды, частицы пыли, посторонние газы (выхлопные, продукты горения, гниения и прочие), растительная пыльца, бактерии, грибки и прочие.

Значение кислорода в природе

Очень важно, сколько кислорода содержится в природе. Ведь известно, что на некоторых спутниках больших планет (Юпитер, Сатурн) были обнаружены следовые количества этого газа, однако очевидной жизни там нет. Наша Земля имеет достаточное его количество, которое в сочетании с водой дает возможность существовать всем живым организмам.

Помимо того, что он является активным участником дыхания, кислород еще проводит бесчисленное количество реакций окисления, в результате которых высвобождается энергия для жизни.

Основными поставщиками этого уникального газа в природе являются зеленые растения и некоторые виды бактерий. Благодаря им поддерживается постоянный баланс кислорода и углекислого газа. Кроме того, озон выстраивает защитный экран над всей Землей, который не позволяет проникать большому количеству уничтожающего ультрафиолетового излучения.

Лишь некоторые виды анаэробных организмов (бактерии, грибки) способны жить вне атмосферы кислорода. Однако их гораздо меньше, чем тех, кто очень в нем нуждается.

Использование кислорода и озона в промышленности

Основные области использования аллотропных модификаций кислорода в промышленности следующие.

1. Металлургия (для сварки и вырезки металлов).
2. Медицина.
3. Сельское хозяйство.
4. В качестве ракетного топлива.
5. Синтез многих химических соединений, в том числе взрывчатых веществ.
6. Очищение и обеззараживание воды.

Сложно назвать хотя бы один процесс, в котором не принимает участие этот великий газ, уникальное вещество - кислород.