Что такое кислород? Соединения кислорода

Кислород (O) – неметаллический химический элемент группы 16 (VIa) периодической таблицы. Он представляет собой бесцветный, без вкуса и запаха газ, необходимый для живых организмов – животных, которые превращают его в углекислый газ, и растений, которые используют CO₂ в качестве источника углерода и возвращают O₂ в атмосферу. Кислород образует соединения, реагируя практически с любым другим элементом, а также вытесняет химические элементы из связи друг с другом. Во многих случаях эти процессы сопровождаются выделением тепла и света. Наиболее важным соединением кислорода является вода.

История открытия

В 1772 г. шведский химик Карл Вильгельм Шееле впервые продемонстрировал, что такое кислород, получив его путем нагревания нитрата калия, оксида ртути, а также многих других веществ. Независимо от него в 1774 году английский химик Джозеф Пристли открыл этот химический элемент путем термического разложения оксида ртути и опубликовал свои выводы в том же году, за три года до публикации Шееле. В 1775-1780 годах французский химик Антуан Лавуазье интерпретировал роль кислорода в дыхании и горении, отбросив теорию флогистона, общепринятую в то время. Он отметил его склонность к образованию кислот при соединении с различными веществами и назвал элемент oxygène, что по-гречески означает «рождающий кислоту».

Распространенность

Что такое кислород? Составляя 46% массы земной коры, он является самым распространенным ее элементом. Количество кислорода в атмосфере составляет 21% по объему, а по весу в морской воде его 89%.

В породах элемент сочетается с металлами и неметаллами в виде оксидов, которые являются кислотными (например, серы, углерода, алюминия и фосфора) или основными (соли кальция, магния и железа), и в качестве солеобразных соединений, которые можно рассматривать как образованные из кислотных и основных оксидов, таких как сульфаты, карбонаты, силикаты, алюминаты и фосфаты. Хотя они и многочисленные, но эти твердые вещества не могут служить источниками кислорода, так как разрыв связи элемента с атомами металла слишком энергозатратен.

Особенности

Если температура кислорода ниже -183 °C, то он становится бледно-голубой жидкостью, а при -218 °С – твердым. Чистый O₂ в 1,1 раза тяжелее воздуха.

Во время дыхания животные и некоторые бактерии потребляют кислород из атмосферы и возвращают углекислый газ, тогда как в процессе фотосинтеза зеленые растения в присутствии солнечного света усваивают углекислый газ и выделяют свободный кислород. Почти весь O₂ в атмосфере произведен в результате фотосинтеза.

При 20 °C примерно 3 объемные части кислорода растворяются в 100 частях пресной воды, немного меньше - в морской воде. Это необходимо для дыхания рыб и других морских обитателей.

Природный кислород представляет собой смесь из трех стабильных изотопов: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037%) и ¹⁸O (0,204%). Известны несколько искусственно полученных радиоактивных изотопов. Наиболее долгоживущим из них является ¹⁵O (с периодом полураспада 124 с), который используется для изучения дыхания у млекопитающих.

Аллотропы

Более ясное представление, что такое кислород, позволяют получить две его аллотропные формы, двухатомная (O₂) и трехатомная (O₃, озон). Свойства двухатомной формы позволяют предположить, что шесть электронов связывают атомы и два остаются неспаренными, вызывая парамагнетизм кислорода. Три атома в молекуле озона не расположены на одной прямой.

Озон может быть получен в соответствии с уравнением: 3O₂ → 2O₃.

Процесс является эндотермическим (требует затрат энергии); превращению озона обратно в двухатомный кислород способствует наличие переходных металлов или их окислов. Чистый кислород превращается в озон под действием тлеющего электрического разряда. Реакция также происходит при поглощении ультрафиолета с длиной волны около 250 нм. Возникновение этого процесса в верхних слоях атмосферы устраняет излучение, которое могло бы нанести ущерб жизни на поверхности Земли. Едкий запах озона присутствует в закрытых помещениях с искрящим электрооборудованием, таким как генераторы. Это газ светло-голубого цвета. Его плотность в 1,658 раза больше, чем воздуха, и он имеет температуру кипения -112 °С при атмосферном давлении.

Озон - сильный окислитель, способный превращать диоксид серы в триоксид, сульфид в сульфат, йодид в йод (обеспечивая аналитический метод его оценки), а также многие органические соединения в кислородсодержащие производные, такие как альдегиды и кислоты. Превращение озоном углеводородов из автомобильных выхлопных газов в эти кислоты и альдегиды является причиной смога. В промышленности озон используется в качестве химического реагента, дезинфицирующего средства, для обработки сточных вод, очистки воды и отбеливания тканей.

Методы получения

Способ производства кислорода зависит от того, какое количество газа требуется получить. Лабораторные методы следующее:

1. Термическое разложение некоторых солей, таких как хлорат калия или нитрат калия:

• 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂.
• 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂.

Разложение хлората калия катализируется оксидами переходных металлов. Для этого часто используется диоксид марганца (пиролюзит, MnO₂). Катализатор снижает температуру, необходимую для выделения кислорода, с 400 до 250 °С.

2. Разложение оксидов металлов под действием температуры:

• 2HgO → 2Hg + O₂.
• 2Ag₂O → 4Ag + O₂.

Шееле и Пристли для получения этого химического элемента использовали соединение (оксид) кислорода и ртути (II).

3. Термическое разложение металлических пероксидов или перекиси водорода:

• 2BaO + O₂ → 2BaO₂.
• 2BaO₂ → 2BaO +O₂.
• BaO₂ + H₂SO₄ → H₂O₂ + BaSO₄.
• 2H₂O₂ → 2H₂O +O_2.

Первые промышленные методы выделения кислорода из атмосферы или для производства перекиси водорода зависели от образования пероксида бария из оксида.

4. Электролиз воды с небольшими примесями солей или кислот, которые обеспечивают проводимость электрического тока:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Промышленное производство

При необходимости получить большие объемы кислорода применяют фракционную перегонку жидкого воздуха. Из основных компонентов воздуха он имеет самую высокую температуру кипения и, следовательно, по сравнению с азотом и аргоном менее летучий. В процессе используется охлаждение газа при его расширении. Основные этапы операции следующее:

• воздух фильтруется для удаления твердых частиц;
• влага и углекислый газ удаляются путем абсорбции в щелочи;
• воздух сжимается, и теплота сжатия удаляется обычными процедурами охлаждения;
• затем он поступает в змеевик, находящийся в камере;
• часть сжатого газа (при давлении около 200 атм) расширяется в камере, охлаждая змеевик;
• расширенный газ возвращается в компрессор и проходит несколько стадий последующего расширения и сжатия, в результате чего при температуре -196 °C воздух становится жидким;
• жидкость нагревается для перегонки первых легких инертных газов, затем азота, а жидкий кислород остается. Многократное фракционирование производит продукт, достаточно чистый (99,5%) для большинства промышленных целей.

Использование в промышленности

Металлургия является крупнейшим потребителем чистого кислорода для производства высокоуглеродистой стали: избавиться от двуокиси углерода и других примесей неметаллов так быстрее и легче, чем при использовании воздуха.

Очистка сточных вод кислородом перспективна для более эффективной обработки жидких стоков, чем в других химических процессах. Все большее значение приобретает сжигание отходов в закрытых системах, использующих чистый O₂.

Так называемый ракетный окислитель является жидким кислородом. Чистый О₂ спользуется на подводных лодках и в водолазных колоколах.

В химической промышленности кислород заменил обычный воздух при производстве таких веществ, как ацетилен, окись этилена и метанол. Медицинские применения включают использование газа в кислородных камерах, ингаляторах и детских инкубаторах. Обогащенный кислородом газообразный анестетик обеспечивает поддержку жизни во время общей анестезии. Без этого химического элемента не смог бы существовать ряд отраслей промышленности, использующих плавильные печи. Вот что такое кислород.

Химические свойства и реакции

Большие значения электроотрицательности и электронного сродства кислорода являются типичными для элементов, которые проявляют неметаллические свойства. Все соединения кислорода обладают отрицательным состоянием окисления. Когда две орбитали заполняются электронами, образуется ион O^2-. В перекисях (O₂^2-) предполагается, что каждый атом обладает зарядом -1. Это свойство принимать электроны путем полной или частичной передачи и определяет окисляющий агент. Когда такой агент реагирует с веществом-донором электронов, его собственное состояние окисления понижается. Изменение (снижение) состояния окисления кислорода от нуля до -2 называется восстановлением.

В нормальных условиях элемент образует двухатомные и трехатомные соединения. Кроме того, существуют крайне нестабильные четырехатомные молекулы. В двухатомной форме два неспаренных электрона расположены на несвязывающих орбиталях. Это подтверждается парамагнитным поведением газа.

Интенсивная реакционная способность озона иногда объясняется предположением, что один из трех атомов находится в «атомарном» состоянии. Вступая в реакцию, этот атом диссоциирует из О₃, оставляя молекулярный кислород.

Молекула О₂ при нормальных температурах и давлениях окружающей среды слабо реактивна. Атомарный же кислород гораздо более активен. Энергия диссоциации (O₂ → 2O) значительная и составляет 117,2 ккал на моль.

Соединения

С такими неметаллами, как водород, углерод и сера, кислород образует большой диапазон ковалентно связанных соединений, среди которых оксиды неметаллов, такие как вода (H₂O), диоксид серы (SO₂) и двуокись углерода (CO₂); органические соединения, такие как спирты, альдегиды и карбоновые кислоты; общие кислоты, такие как угольная (Н₂СО₃), серная (H₂SO₄) и азотная (HNO₃); и соответствующие соли, такие как сульфат натрия (Na₂SO₄), карбонат натрия (Na₂CO₃) и нитрат натрия (NaNO₃). Кислород присутствует в виде иона O^2- в кристаллической структуре твердых оксидов металлов, таких как соединение (оксид) кислорода и кальция СаО. Металлические супероксиды (КО₂) содержат ион O₂^- , в то время как металлические пероксиды (BaO₂), содержат ион O₂^2-. Соединения кислорода в основном имеют степень окисления -2.

Основные свойства

Напоследок перечислим основные свойства кислорода:

• Конфигурация электронов: 1s²2s²2p⁴.
• Атомный номер: 8.
• Атомная масса: 15,9994.
• Точка кипения: -183,0 °C.
• Температура плавления: -218,4 °C.
• Плотность (если давление кислорода равно 1 атм при 0 °C): 1,429 г/л.
• Состояния окисления: -1, -2, +2 (в соединениях с фтором).