§18. Кислород
Кислород как химический элемент
Кислород – химический элемент, свойства которого будут рассмотрены в следующих нескольких параграфах. Обратимся
к Периодической Системе химических элементов
Д.И. Менделеева. Элемент кислород расположен во 2 периоде, VI группе, главной подгруппе.
Там же указано, что относительная атомная масса кислорода равна 16.
По порядковому номеру кислорода в Периодической Системе можно легко определить
количество электронов, содержащихся в его атоме, заряд ядра атома кислорода, количество протонов.
Валентность кислорода в большинстве соединений равна II. Атом кислорода может присоединять два электрона и превращаться в ион: O0 + 2ē = O−2.
Стоит отметить, что кислород – самый распространенный элемент на нашей планете. Кислород входит в состав воды. Морские и пресные воды на 89% по
массе состоят из кислорода. Кислород входит в состав множества минералов и горных пород. Массовая доля кислорода в земной коре составляет около 47%. В воздухе кислорода содержится около 23% по массе.
Физические свойства кислорода
При взаимодействии двух атомов кислорода образуется устойчивая молекула простого вещества кислорода O2. Данное простое вещество, как и элемент, называется кислородом. Не путайте кислород-элемент, и кислород
– простое вещество!
По физическим свойствам кислород – бесцветный газ без запаха и вкуса. Практически нерастворим в воде (при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении растворимость кислорода составляет около 8 мг на один литр воды).
Кислород растворим в воде – в 1 л воды при температуре 20°С растворяется 31 мл кислорода (0,004% по массе). Однако этого количества достаточно для дыхания рыб, живущих в водоемах. Газообразный кислород немного тяжелее воздуха: 1 л воздуха при температуре 0°С и обычном давлении весит 1,29 г, а 1 л кислорода – 1,43 г.
Кислород проявляет интересные свойства при сильном охлаждении. Так, при температуре –183°С кислород конденсируется в прозрачную подвижную жидкость бледно- голубого цвета.
Если жидкий кислород охладить еще сильнее, то при температуре –218°С кислород
«замерзает» в виде синих кристаллов. Если температуру постепенно повышать, то при –218°С, твердый кислород начнет плавится, а при –183°С – закипит. Следовательно, температуры кипения и конденсации, а также температуры замерзания и плавления для веществ являются одинаковыми.
Для хранения и транспортировки жидкого кислорода используют так называемые сосуды Дьюара. Сосуды Дьюара используют для хранения и транспортировки жидкостей, температура которых должна длительное время оставаться постоянной. Сосуд Дьюара носит имя его изобретателя, шотландского физика и химика Джеймса Дьюара.
Простейшим сосудом Дьюара является бытовой термос. Устройство сосуда довольно простое: это колба, помещенная в большую колбу. Из герметичного пространства между колбами откачивается
воздух. Благодаря отсутствию воздуха между стенками колб, жидкость, налитая во внутреннюю колбу, долгое время не остывает или не нагревается.
Рисунок 105. Сосуд Дьюара
Кислород - парамагнитное вещество, то есть в жидком и твердом состояниях он притягивается магнитом.
В природе существует еще одно простое вещество, состоящее из атомов кислорода. Это озон. Химическая формула озона О3. Озон, так же как и кислород, в обычных условиях – газ. Озон образуется в атмосфере во время грозовых разрядов. Характерный запах свежести после грозы является запахом озона.
Если озон получить в лаборатории и собрать значительное количество его, то в больших концентрациях озон будет иметь резкий неприятный запах. Получают озон в лаборатории в специальных приборах – озонаторах. Озонатор – стеклянная трубка, в которую подают ток кислорода, и создают электрический разряд. Электрический разряд превращает кислород в озон:
эл.ток
3O2 → 2О3.
В отличие от бесцветного кислорода, озон – газ голубого цвета. Растворимость озона в воде составляет около 0,5 л газа на 1 литр воды, что значительно больше, чем у кислорода. С учетом этого свойства озон применяется для обеззараживания питьевой воды, так как оказывает губительное действие на болезнетворные микроорганизмы. При низких температурах, озон ведет себя аналогично кислороду. При температуре –112°С он конденсируется в жидкость фиолетового цвета, а при температуре –197°С кристаллизуется в виде
темно-фиолетовых, почти черных кристаллов.
Жидкий озон
Рисунок 107. Формулы и модели молекул кислорода (О2) и озона (О3)
Таким образом, можно сделать вывод, что атомы одного и того же химического элемента могут образовывать разные простые вещества.
Значит, кислород и озон – аллотропные модификации химического элемента кислорода. Существуют данные, что при сверхнизких температурах, в жидком или твердом состоянии кислород может существовать в виде молекул О4 и О8.
Круговорот кислорода в природе
Количество кислорода в атмосфере постоянно. Следовательно, расходующийся кислород постоянно пополняется новым.
Важнейшими источниками кислорода в природе является углекислый газ и вода. Кислород попадает в атмосферу главным образом в результате процесса фотосинтеза, протекающего в растениях, согласно схеме реакции:
CO2 + H2O ® C6H12O6 + O2.
Кислород может образовываться и в верхних слоях атмосферы Земли: вследствие воздействия солнечного излучения, водяные пары частично разлагаются с образованием кислорода.
Кислород расходуется при дыхании, сжигании топлива, окислении различных веществ в живых организмах, окислении неорганических веществ, содержащихся в природе. Большое количество кислорода расходуется в технологических процессах, таких как, например, выплавка стали.
Круговорот кислорода в природе можно представить в виде схемы:
Рисунок 107. Круговорот кислорода в природе
Подведем итоги
Вопросы, упражнения и задачи
В каком виде (в виде простого вещества или в виде соединений с другими элементами) кислород находится в природе: а) в атмосфере; б) в воде; в) в горных породах и минералах?
В чем заключается явление аллотропии?
Охарактеризуйте физические свойства аллотропных модификаций кислорода.
Почему, по вашему мнению, температура кипения озона выше, чем кислорода?
Почему озон в химических реакциях проявляет большую активность, чем кислород?
Что произойдет, если жидкий кислород налить из сосуда Дьюара в обычную стеклянную колбу? Опишите наблюдения.
Что произойдет с цветком розы, если растение на несколько минут опустить в жидкий кислород?
В двух одинаковых по объему закрытых колбах, находятся кислород и воздух. Как, не открывая колб, определить в какой из них кислород?
Почему в аквариум нежелательно наливать кипяченую воду? Обоснуйте свой ответ.
В комнате выпустили из баллона чистый кислород. Где в большей мере соберется газообразный кислород – под потолком, или у пола? Ответ обоснуйте.
Какая масса кислорода образуется в результате полного превращения 48 г озона в кислород?
Определите массовую долю кислорода в: воде, песке SiO2, железной руде Fe2O3, угарном газе СО, углекислом газе СО2.
Озон может быть получен по реакциям, схемы которых приведены ниже. Превратите схемы в уравнения реакций:
BaO2 + H2SO4 ® BaSO4¯ + O3 + H2O OF2 + H2O ® O3 + O2 + HF
Сколько электронов содержится в атоме кислорода и в его ионе O2−?
Составьте формулы бинарных соединений, в состав которых входит ион O2− и ионы металлов: K1+, Mg2+, Al3+.
Учитывая, что кислород имеет три природных изотопа (16O, 17O, 18O), определите, сколько видов молекул имеет кислород. Напишите их формулы (типа 16О17О) и вычислите относительные молекулярные массы.
Учитывая, что в природе существуют два изотопа водорода (1Н и 2Н) и три изотопа кислорода (16O, 17O, 18O), определите, сколько может быть разновидностей молекул воды. Напишите их химические формулы (например, 1Н2Н16О). Сколько значений молекулярной массы может иметь молекула воды?
Вычислите массу 10 молекул озона.
Вычислите массу 20 молекул кислорода.
Вычислите массу 1 л кислорода, если плотность кислорода составляет 1,3 г/л.
Вычислите массу 1 л озона, если плотность озона составляет 0,002 г/мл.
Превратите схемы реакций в химические уравнения, расставив в случае необходимости коэффициенты:
1) O3 + KI + Н2О ® O2 + I2 + KОН; 3) O3 + SO2 ® O2 + SO3;
2) O3 + Н2O2 ® O2 + Н2О; 4) O3 + H2S ® H2SO4.
Вычислите соотношение масс химических элементов, содержащихся в углекислом газе.
Вычислите соотношение масс химических элементов, содержащихся в глюкозе (С6Н12O6).
Медицинская кислородная подушка имеет объем около 15 л. Вычислите, сколько минут можно ею пользоваться, если при дыхании человек расходует примерно одну треть грамма кислорода О2 в минуту. При расчетах используйте ответ к задаче 18.20.
Как вы считаете, где массовая доля кислорода больше – в литосфере или гидросфере? Ответ объясните.
Вычислите массовые доли химического элемента кислорода в таких соединениях: LiNO3, Cu(NO3)2, Al(NO3)3.
Какая масса кислорода содержится: а) в 17 г NaNO3; б) в 29 г K2SO4; в) в 8,4 г LiOH·H2O?
Найдите простейшую формулу соединения азота с кислородом, если атомное отношение N:О в нем составляет 1:2.
Найдите простейшую формулу соединения натрия, серы и кислорода, если атомное отношение Na:S:О в нем составляет 1:1:1,5.
и черный фосфор. Все модификации фосфора отличаются по своим физическим свойствам и химической активности, из за различного строения.
Молекула белого фосфора
Фрагмент молекулы красного фосфора
Строение черного фосфора
Белый фосфор – мягкое вещество бело-желтого цвета, обладает запахом чеснока, самовоспламеняется на воздухе. Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов фосфора Р4. Белый фосфор хранят под слоем воды, это сильно ядовитое вещество! Красный фосфор – аморфное вещество красного цвета, в основном вступает в химические реакции при нагревании. Молекула красного фосфора представляет собой молекулы P4, соединенные друг с другом. Черный фосфор – черное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. Данная модификация фосфора наименее реакционноактивная. Получают черный фосфор из белого путем нагревания под большим давлением. Черный фосфор имеет атомное строение.
Сера также имеет аллотропные модификации. В обычных условиях молекула серы построена из восьми атомов (S8), такую модификацию серы называют ромбической. Если ромбическую серу нагреть, сначала вещество расплавится, затем закипит, и постепенно превратится в вязкую массу коричневого цвета. Если эту массу вылить в емкость с холодной водой, получим другую модификацию серы – пластическую. Пластическая сера – вещество коричневого цвета, тянущееся подобно тому, как тянется жевательная резинка. Пластическая сера нестойкая, и со временем превращается обратно в ромбическую серу.
Ромбическая сера Пластическая сера
56. АМЕДЕО АВОГАДРО (1776–1856)
Итальянский физик и химик Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья и Черрето родился в Турине, в семье чиновника судебного ведомства. В 1792 г. окончил юридический факультет Туринского университета, в 1796 г. стал доктором права. Уже в юности Авогадро заинтересовался естественными науками, самостоятельно изучал физику и математику.
В 1803 г. Авогадро представил в Туринскую академию
свою первую научную работу по изучению свойств электричества. С 1806 г. преподавал физику в университетском
Рисунок 108. Лоренцо
Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья и Черрето (1776–1856)
лицее в Верчелли. В 1820 г. Авогадро стал профессором Туринского университета; однако в 1822 г. кафедра высшей физики была закрыта и только в 1834 г. он смог вернуться к
преподавательской деятельности в университете, которой занимался до 1850 г.
В 1804 г. Авогадро становится членом-корреспондентом, а в 1819 г. – ординарным академиком Туринской академии наук.
Научные труды Авогадро посвящены различным областям физики и химии (электричество, электрохимическая теория, удельные теплоёмкости, капиллярность, атомные объёмы, номенклатура химических соединений и др.). В 1811 г. Авогадро выдвинул гипотезу, что в одинаковых объёмах газов содержится при одинаковых температурах и давлении равное число молекул (закон Авогадро). Гипотеза Авогадро позволила привести в единую систему противоречащие друг другу опытные данные Ж.Л. Гей-Люссака (закон соединения газов) и атомистику Дж. Дальтона. Следствием гипотезы Авогадро явилось предположение о том, что молекулы простых газов могут состоять из двух атомов. На основе своей гипотезы Авогадро предложил способ определения атомных и молекулярных масс; по данным других исследователей он впервые правильно определил атомные массы кислорода, углерода, азота, хлора и ряда других элементов. Авогадро первым установил точный количественный атомный состав молекул многих веществ (воды, водорода, кислорода, азота, аммиака, хлора, оксидов азота).
Молекулярная гипотеза Авогадро не была принята большинством физиков и химиков первой половины XIX в. Большинство химиков – современников итальянского учёного не могли отчётливо понять различия между атомом и молекулой. Даже Берцелиус, исходя из своей электрохимической теории, считал, что в равных объёмах газов содержится одинаковое число атомов.
Результаты работ Авогадро как основателя молекулярной теории были признаны лишь в 1860 г. на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ благодаря усилиям С. Канниццаро. По имени Авогадро названа универсальная постоянная (число Авогадро) – число молекул в 1 моле идеального газа. Авогадро – автор оригинального 4-томного курса физики, являющегося первым руководством по молекулярной физике, который включает также элементы физической химии.
57. Ртуть – Hydrargyrum, Hg (80)
Каждому, кто хоть раз держал в руках термометр – «градусник», знакома ртуть. По своим химическим свойствам – это настоящий металл, но в отличие от других металлов жидкий при комнатной температуре. Применение ртути в термометрах основано на том, что при нагревании она, как и все другие вещества, расширяется. С помощью ртутного термометра можно измерять и низкие температуры. Но... не всегда.
При сильном морозе она «замерзает», т.е. становится твердой. Впервые ртуть была заморожена 24 декабря 1759 г. М.В. Ломоносовым. Температура замерзания, а правильнее, плавления ртути – минус 38,8°С. Такие морозы не являются редкостью для жителей Сибири. Поэтому там невозможно в «трескучие» морозы измерять температуру ртутными термометрами. В твердом состоянии ртуть – серебристо-синеватый, довольно мягкий, похожий на свинец, металл. При чтении лекций о ртути большой эффект производит изготовление ртутного молотка. Налитую в формочку ртуть быстро охлаждают жидким воздухом или смесью твердой углекислоты с эфиром. Забивание гвоздя в доску ртутным молотком всегда вызывает шумную реакцию у студентов.
Ртуть известна с глубокой древности. За 350 лет до нашей эры Аристотель описал ртуть в своих произведениях. Свое научное название – «гидраргирум» ртуть получила от греческого слова, данного ей Диоскоридом. В буквальном переводе оно означает «серебряная вода» (по-гречески «хюдор» – вода, «аргюрос» – серебро). У алхимиков в их безнадежных поисках способа превращения неблагородных металлов в золото ртуть употреблялась часто и называлась Меркурием. Это название ртуть получила за способность ее отдельных капелек
быстро «бегать» по гладкой поверхности, что напоминало алхимикам о необычайной подвижности, свойственной, по представлению древних римлян, Меркурию – покровителю ремесел и торговли.
Выделение ртути в чистом виде было описано шведским химиком Георгом Брандтом в 1735 г. Для представления элемента как у алхимиков, так и в нынешнее время используется символ планеты Меркурий. Но принадлежность ртути к металлам была доказана только трудами Ломоносова и Брауна, которые в декабре 1759 года смогли заморозить ртуть и установить её металлические свойства: ковкость, электропроводность и др.
Ртуть – очень тяжелая жидкость: 1 литр ртути весит тринадцать с лишним килограммов. Большой вес и подвижность ртути в свое время находили очень своеобразное применение в медицине. При завороте кишок больному вливали ртуть (200–250 г) в желудок, полагая, что она расправит своею тяжестью перекрутившиеся части кишок. Трудно себе представить эту «операцию» сейчас, а еще труднее представить дальнейшую судьбу больного.
Ртуть, как и всякая другая жидкость, испаряется. Ее пары ядовиты и действуют на человеческий организм губительно. Поэтому трудовым законодательством некоторые производства, связанные с применением ртути и ее соединений, вообще запрещены (например, производство ртутных красок). Однако в ряде производств без применения ртути обойтись нельзя. Такие производства по закону имеют особые условия труда и весьма продуманные меры предохранения здоровья рабочих от вредного воздействия ртути.
Рисунок 109. Переливание ртути
Рисунок 110. Киноварь – минерал HgS
Рисунок 111. Оксид ртути HgO
Ртуть обладает замечательной способностью растворять многие металлы. Такие растворы называются амальгамами. Амальгамы нашли широкое техническое применение и в некоторых случаях явились причиной занимательных курьезов. Вот один из них. В прошлом веке один из исследователей пытался превратить ртуть в золото с помощью мощных электрических разрядов, пропускаемых через пары ртути. После многочисленных опытов, стоивших денег, времени и труда, ему удалось обнаружить присутствие золота в ртути. Однако при тщательном изучении оказалось, что золото попало в ртуть с... золотой оправы очков самого исследователя. Руками, на которых были следы ртути, он брался за очки и переносил золото в виде амальгамы в исследуемую ртуть.
Ртуть находит широкое применение в разнообразной технической и научной аппаратуре и приборах: барометрах, манометрах, термометрах, насосах для создания вакуума, ртутных ваннах для получения щелочи, ртутных лампах («горное солнце»), ртутных выпрямителях и т.д.
Ртуть используется в медицинской практике при лечении ряда кожных болезней (ртутные мази), как дезинфицирующее и обеззараживающее средство (растворы солей). Всех областей применения ртути в кратком рассказе не перечтешь!
§19. Получение кислорода
История открытия кислорода
Открытие кислорода ознаменовало новый период в развитии химии. С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух. Процесс горения веществ долгое время оставался непонятным. В эпоху алхимии широкое
распространение получила теория флогистона, согласно которой вещества горят благодаря их взаимодействию с огненной материей, то есть с флогистоном, который содержится в пламени.
Кислород был получен английским химиком Джозефом Пристли в 70-х годах XVIII века. Химик нагревал красный порошок оксида ртути (II), в итоге вещество
разлагалось, с образованием металлической ртути и бесцветного газа:
t°
2HgO → 2Hg + O2.
Рисунок 112. Прибор Лавуазье
для разложения оксида ртути
При внесении тлеющей лучины в сосуд с газом она ярко вспыхивала. Ученый считал, что тлеющая лучина вносит в газ флогистон, и он загорается.
Д. Пристли пробовал дышать полученным газом, и был восхищен тем, как легко и свободно им дышится. Тогда ученый и не предполагал, что удовольствие дышать этим газом предоставлено каждому.
Результатами своих опытов Д. Пристли поделился с французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Имея хорошо оснащенную на то время лабораторию, А. Лавуазье повторил и усовершенствовал опыты Д. Пристли.
А. Лавуазье измерил количество газа, выделяющееся при разложении определенной массы оксида ртути. Затем химик нагрел в герметичном сосуде металлическую ртуть до тех пор, пока она не превратилась в оксид ртути (II). Он обнаружил, что количество
выделившегося газа в первом опыте равно газу, поглотившемуся во втором опыте. Следовательно, ртуть реагирует с каким-то веществом, содержащимся в воздухе. И это же вещество выделяется при разложении оксида. Лавуазье первым сделал вывод, что флогистон здесь совершенно ни при чем, и горение тлеющей лучины вызывает именно неизвестный газ, который в последствии был назван кислородом. Открытие кислорода ознаменовало крах теории флогистона!
Способы получения и собирания кислорода в лаборатории
Лабораторные способы получения кислорода весьма разнообразны. Существует много веществ, из которых можно получить кислород. Рассмотрим наиболее распространенные способы.
1) Разложение оксида ртути (II)
Одним из способов получения кислорода в лаборатории, является его получение по описанной выше реакции разложения оксида ртути (II). Ввиду высокой токсичности соединений ртути и паров самой ртути, данный способ используется крайне редко.
2) Разложение перманганата калия
Перманганат калия (в быту мы называем его марганцовкой) – кристаллическое вещество темно-фиолетового цвета. При нагревании перманганата калия выделяется кислород.
В пробирку насыплем немного порошка перманганата калия и закрепим ее горизонтально в лапке штатива. Недалеко от отверстия пробирки поместим кусочек ваты.
Закроем пробирку пробкой, в которую вставлена газоотводная трубка, конец которой опустим в сосуд- приемник. Газоотводная трубка должна доходить до дна сосуда-приемника.
1. Почему газоотводную трубку необходимо опускать до дна сосуда?
Рисунок 113. Перманганат калия KMnO4 Ватка, находящаяся около отверстия пробирки нужна,
чтобы предотвратить попадание частиц перманганата калия в сосуд-приемник (при разложении выделяющийся кислород увлекает за собой частички перманганата).
Когда прибор собран, начинаем нагревание пробирки.
Начинается выделение кислорода.
Уравнение реакции разложения перманганата калия:
t°
2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2.
Как обнаружить присутствие кислорода? Воспользуемся
способом Пристли. Подожжем деревянную лучину, дадим ей
Рисунок 114. Собирание
кислорода методом вытеснения воздуха
Рисунок 115. Собирание кислорода методом вытеснения воды
немного погореть, затем погасим, так, чтобы она едва тлела. Опустим тлеющую лучину в сосуд с кислородом. Лучина ярко вспыхивает! (рисунок 116)
Газоотводная трубка была не случайно опущена до дна сосуда-приемника. Кислород тяжелее воздуха, следовательно, он будет собираться в нижней части приемника, вытесняя из него воздух.
Кислород можно собрать и методом вытеснения воды. Для этого газоотводную трубку необходимо опустить в пробирку, заполненную водой, и опущенную в кристаллизатор с водой вниз
отверстием. При поступлении кислорода газ вытесняет воду из пробирки.
3) Разложение пероксида водорода
Пероксид водорода – вещество всем известное. В аптеке
оно продается под названием «перекись водорода». Данное название является устаревшим,
более правильно использовать термин
«пероксид». Химическая формула пероксида водорода Н2О2.
3. Опишите физические свойства пероксида водорода.
Пероксид водорода при хранении медленно разлагается на воду и кислород. Чтобы ускорить процесс разложения можно произвести нагрев или применить катализатор.
Катализатор – вещество, ускоряющее скорость протекания химической реакции
Рисунок 116. Горение лучины в кислороде
Нальем в колбу пероксид водорода, внесем в жидкость катализатор. Катализатором может служить порошок черного цвета – оксид марганца MnO2. Тотчас смесь начнет вспениваться вследствие выделения большого количества
кислорода. Внесем в колбу тлеющую лучину – она ярко вспыхивает. Уравнение реакции разложения пероксида водорода:
MnO2
2H2O2 → 2H2O + O2.
Обратите внимание:
катализатор, ускоряющий протекание
реакции, записывается над стрелкой, или знаком «=», потому что он не расходуется в ходе реакции, а только ускоряет ее.
4) Разложение хлората калия
Хлорат калия –
Рисунок 117. Перекись водорода, которую можно купить в аптеке
Рисунок 118. Бертолетова соль
кристаллическое вещество белого цвета. Используется в производстве фейерверков и других различных пиротехнических изделий. Встречается тривиальное название этого вещества – «бертолетова соль». Такое название вещество получило в честь французского химика, впервые синтезировавшего его, – Клода Луи Бертолле. Химическая формула хлората калия KСlO3.
При нагревании хлората калия в присутствии катализатора – оксида марганца MnO2, бертолетова соль разлагается по следующей схеме:
t°, MnO2
