Що таке кисень? З`єднання кисню

Кисень (O) - неметаллический хімічний елемент групи 16 (VIa) періодичної таблиці. Він являє собою безбарвний, без смаку і запаху газ, необхідний для живих організмів - тварин, які перетворюють його в вуглекислий газ, і рослин, які використовують CO₂ як джерело вуглецю і повертають O₂ в атмосферу. Кисень утворює сполуки, реагуючи практично з будь-яким іншим елементом, а також витісняє хімічні елементи з зв`язку один з одним. У багатьох випадках ці процеси супроводжуються виділенням тепла і світла. Найбільш важливим з`єднанням кисню є вода.

Історія відкриття

У 1772 р шведський хімік Карл Вільгельм Шеєле вперше продемонстрував, що таке кисень, отримавши його шляхом нагрівання нітрату калію, оксиду ртуті, а також багатьох інших речовин. Незалежно від нього в 1774 році англійський хімік Джозеф Прістлі відкрив цей хімічний елемент шляхом термічного розкладання оксиду ртуті і опублікував свої висновки в тому ж році, за три роки до публікації Шеєле. У 1775-1780 роках французький хімік Антуан Лавуазьє інтерпретував роль кисню в диханні і горінні, відкинувши теорію флогістону, загальноприйняту в той час. Він зазначив його схильність до утворення кислот при з`єднанні з різними речовинами і назвав елемент oxyg ne, що по-грецьки означає «народжує кислоту».

поширеність

Що таке кисень? Складаючи 46% маси земної кори, він є найпоширенішим її елементом. Кількість кисню в атмосфері становить 21% за обсягом, а за вагою в морській воді його 89%.

У породах елемент поєднується з металами і неметалами у вигляді оксидів, які є кислотними (наприклад, сірки, вуглецю, алюмінію і фосфору) або основними (солі кальцію, магнію і заліза), і в якості солеобразние з`єднань, які можна розглядати як утворені з кислотних і основних оксидів, таких як сульфати, карбонати, силікати, алюмінати і фосфати. Хоча вони і численні, але ці тверді речовини не можуть служити джерелами кисню, так як розрив зв`язку елемента з атомами металу занадто енерговитрат.

Особливості

Якщо температура кисню нижче -183 ° C, то він стає блідо-блакитною рідиною, а при -218 ° С - твердим. чистий O₂ в 1,1 рази важчий за повітря.

Під час дихання тварини і деякі бактерії споживають кисень з атмосфери і повертають вуглекислий газ, тоді як в процесі фотосинтезу зелені рослини в присутності сонячного світла засвоюють вуглекислий газ і виділяють вільний кисень. Майже весь O₂ в атмосфері проведений в результаті фотосинтезу.

При 20 ° C приблизно 3 об`ємні частини кисню розчиняються в 100 частинах прісної води, трохи менше - в морській воді. Це необхідно для дихання риб і інших морських мешканців.

Природний кисень являє собою суміш з трьох стабільних ізотопів: ¹⁶O (99,759%), ¹⁷O (0,037%) і ¹⁸O (0,204%). Відомі кілька штучно отриманих радіоактивних ізотопів. Найбільш долгоживущим з них є ¹⁵O (з періодом напіврозпаду 124 с), який використовується для вивчення дихання у ссавців.

Відео: Загальна характеристика халькогенов. кисень

аллотропии

Більш чітке уявлення, що таке кисень, дозволяють отримати дві його алотропні форми, двухатомная (O₂) І трьохатомна (O₃, озон). Властивості двухатомной форми дозволяють припустити, що шість електронів пов`язують атоми і два залишаються неспареними, викликаючи парамагнетизм кисню. Три атома в молекулі озону не налаштовані на одній прямій.

Озон може бути отриманий відповідно до рівняння: 3O₂ 2O₃.

Процес є ендотермічним (вимагає витрат енергії) - перетворення озону назад в двоатомний кисень сприяє наявність перехідних металів або їх оксидів. Чистий кисень перетворюється в озон під дією тліючого електричного розряду. Реакція також відбувається при поглинанні ультрафіолету з довжиною хвилі близько 250 нм. Виникнення цього процесу у верхніх шарах атмосфери усуває випромінювання, яке могло б завдати шкоди життю на поверхні Землі. Їдкий запах озону присутній в закритих приміщеннях з іскристим електрообладнанням, таким як генератори. Це газ світло-блакитного кольору. Його щільність в 1,658 рази більше, ніж повітря, і він має температуру кипіння -112 ° С при атмосферному тиску.

Озон - сильний окислювач, здатний перетворювати Диоксид сірки в триоксид, сульфід в сульфат, йодид в йод (забезпечуючи аналітичний метод його оцінки), а також багато органічні сполуки в кислородсодержащие похідні, такі як альдегіди та кислоти. Перетворення озоном вуглеводнів з автомобільних вихлопних газів в ці кислоти і альдегіди є причиною смогу. У промисловості озон використовується в якості хімічного реагенту, дезинфікуючого засобу, для обробки стічних вод, очищення води та відбілювання тканин.

методи отримання

Спосіб виробництва кисню залежить від того, яка кількість газу потрібно отримати. Лабораторні методи наступне:

1. Термічне розкладання деяких солей, таких як хлорат калію або нітрат калію:

2KClO₃ 2KCl + 3O₂.
2KNO₃ 2KNO₂ + O₂.

Розкладання хлорат калію каталізується оксидами перехідних металів. Для цього часто використовується діоксид марганцю (піролюзит, MnO₂). Каталізатор знижує температуру, необхідну для виділення кисню, з 400 до 250 ° С.

2. Розкладання оксидів металів під дією температури:

2HgO 2Hg + O₂.
2Ag₂O 4Ag + O₂.

Шеєле і Прістлі для отримання цього хімічного елемента використовували з`єднання (оксид) кисню і ртуті (II).

3. Термічне розкладання металевих пероксидов або перекису водню:

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

Перші промислові методи виділення кисню з атмосфери або для виробництва перекису водню залежали від освіти пероксиду барію з оксиду.

4. електроліз води з невеликими домішками солей або кислот, які забезпечують провідність електричного струму:

2H₂O 2H₂ + O₂

Промислове виробництво

При необхідності отримати великі обсяги кисню застосовують фракційну перегонку рідкого повітря. З основних компонентів повітря він має найвищу температуру кипіння і, отже, в порівнянні з азотом і аргоном менш летючий. В процесі використовується охолодження газу при його розширенні. Основні етапи операції наступне:

повітря фільтрується для видалення твердих частинок;
волога і вуглекислий газ видаляються шляхом абсорбції в лугу;
повітря стискається, і теплота стиснення видаляється звичайними процедурами охолодження;
потім він надходить в змійовик, що знаходиться в камері;
частина стисненого газу (при тиску близько 200 атм) розширюється в камері, охолоджуючи змійовик;
розширений газ повертається в компресор і проходить кілька стадій подальшого розширення і стиснення, в результаті чого при температурі -196 ° C повітря стає рідким;
рідина нагрівається для перегонки перших легких інертних газів, потім азоту, а рідкий кисень залишається. Багаторазове фракціонування виробляє продукт, досить чистий (99,5%) для більшості промислових цілей.

Використання в промисловості

Металургія є найбільшим споживачем чистого кисню для виробництва високовуглецевого стали: позбутися від двоокису вуглецю та інших домішок неметалів так швидше і легше, ніж при використанні повітря.

Очищення стічних вод киснем перспективна для більш ефективної обробки рідких стоків, ніж в інших хімічних процесах. Все більшого значення набуває спалювання відходів в закритих системах, які використовують чистий O₂.

Так званий ракетний окислювач є рідким киснем. чистий Про₂ Використовується на підводних човнах і в водолазних дзвонах.

У хімічній промисловості кисень замінив звичайне повітря при виробництві таких речовин, як ацетилен, окис етилену і метанол. Медичні застосування включають використання газу в кисневих камерах, інгалятори і дитячих інкубаторах. Збагачене киснем газоподібний анестетик забезпечує підтримку життя під час загальної анестезії. Без цього хімічного елемента не зміг би існувати ряд галузей промисловості, що використовують плавильні печі. Ось що таке кисень.

Хімічні властивості і реакції

Великі значення електронегативності і електронної спорідненості кисню є типовими для елементів, які виявляють неметалічні властивості. Всі з`єднання кисню володіють негативним станом окислення. Коли дві орбіталі заповнюються електронами, утворюється іон O². У перекису (O₂²) Передбачається, що кожен атом має зарядом -1. Це властивість приймати електрони шляхом повної або часткової передачі і визначає окисляє агент. Коли такий агент реагує з речовиною-донором електронів, його власний стан окислення знижується. Зміна (зниження) стану окислення кисню від нуля до -2 називається відновленням.

Відео: Вибух кисню

У нормальних умовах елемент утворює двоатомні і трьохатомні з`єднання. Крім того, існують вкрай нестабільні четирехатомние молекули. У двухатомной формі два неспарених електрона розташовані на несвязивающіх орбиталях. Це підтверджується парамагнітним поведінкою газу.

Інтенсивна реакційна здатність озону іноді пояснюється припущенням, що один з трьох атомів знаходиться в «атомарному» стані. Вступаючи в реакцію, цей атом дисоціює з Про₃, залишаючи молекулярний кисень.

молекула Про₂ при нормальних температурах і тисках навколишнього середовища слабо реактивна. Атомарний ж кисень набагато активніший. Енергія дисоціації (O₂ 2O) значна і становить 117,2 ккал на моль.

з`єднання

З такими неметалами, як водень, вуглець і сірка, кисень утворює великий діапазон ковалентно пов`язаних з`єднань, серед яких неметалів, такі як вода (H₂O), діоксид сірки (SO₂) І двоокис вуглецю (CO₂) - Органічні сполуки, такі як спирти, альдегіди і карбонові кислоти-загальні кислоти, такі як вугільна (Н₂СО₃), Сірчана (H₂SO₄) І азотна (HNO₃) - І відповідні солі, такі як сульфат натрію (Na₂SO₄), Карбонат натрію (Na₂CO₃) І нітрат натрію (NaNO₃). Кисень присутній у вигляді іона O² в кристалічній структурі твердих оксидів металів, таких як з`єднання (оксид) кисню і кальцію СаО. Металеві супероксиди (КО₂) Містять іон O₂^- , в той час як металеві пероксиди (BaO₂), Містять іон O₂². З`єднання кисню в основному мають ступінь окислення -2.