Урок 18. Физические и химические свойства кислорода

Архив уроков › Химия 8 класс

В уроке 18 «Физические и химические свойства кислорода» из курса «Химия для чайников» выясним, какие физические и химические свойства имеет кислород и узнаем о реакциях горения.

Как у любого химического вещества, у кислорода есть свой набор физических и химических свойств, по которым его можно отличить от других веществ.

Физические свойства

По своим физическим свойствам простое вещество кислород относится к неметаллам. При нормальных условиях он находится в газообразном агрегатном состоянии. Кислород не имеет цвета, запаха и вкуса. Масса кислорода объемом 1 дм3 при н. у. равна примерно 1,43 г.

При температуре ниже −183 °С кислород превращается в голубую жидкость, а при −219 °С эта жидкость переходит в твердое вещество. Это означает, что температура кипения кислорода равна: t кип.= −183 °С, а температура плавления составляет: t пл.= −219 °С. Кислород плохо растворяется в воде.

Общая характеристика элементов 6 группы главной подгруппы

От O к Po (сверху вниз в периодической таблице)

Увеличивается

• атомного радиуса,
• металлических, основных, восстановительных свойств,

Уменьшается

• электроотрицательность,
• энергия ионизация,
• сродство к электрону.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, все они содержат 6 электронов на внешнем слое ns2np4:

O – 2s2 2p4;

S – 3s23p4;

Se – 4s2 4p4;

Te – 5s2 5p4;

Po – 6s2 6p4

Электронное строение кислорода и серы

Химические свойства

Кислород является химически активным веществом. Он способен вступать в реакции с множеством других веществ, однако для протекания большинства этих реакций необходима более высокая, чем комнатная, температура. При нагревании кислород реагирует с неметаллами и металлами.

Если стеклянную колбу наполнить кислородом и внести в нее ложечку с горящей серой, то сера вспыхивает с образованием яркого пламени и быстро сгорает (рис. 80).

Химическую реакцию, протекающую в этом случае, можно описать следующим уравнением:

В результате реакции образуется вещество SO2, которое называется сернистым газом. Сернистый газ имеет резкий запах, который вы ощущаете при зажигании обычной спички. Это говорит о том, что в состав головки спички входит сера, при горении которой и образуется сернистый газ.

Подожженный красный фосфор в колбе с кислородом вспыхивает еще ярче и быстро сгорает, образуя густой белый дым (рис. 81).

При этом протекает химическая реакция:

Белый дым состоит из маленьких твердых частиц продукта реакции — P2O5.

Если в колбу с кислородом внести тлеющий уголек, состоящий в основном из углерода, то он также вспыхивает и сгорает ярким пламенем (рис. 82).

Протекающую химическую реакцию можно представить следующим уравнением:

Продуктом реакции является CO2, или углекислый газ, с которым вы уже знакомы. Доказать образование углекислого газа можно, добавив в колбу немного известковой воды. Помутнение свидетельствует о присутствии CO2 в колбе.

Возгорание уголька можно использовать для отличия кислорода от других газов. Если в сосуд (колбу, пробирку) с газом внести тлеющий уголек и он вспыхнет, то это указывает на наличие в сосуде кислорода.

Кроме неметаллов, с кислородом реагируют и многие металлы. Внесем в колбу с кислородом раскаленную стальную проволоку, состоящую в основном из железа. Проволока начинает ярко светиться и разбрасывать в разные стороны раскаленные искры, как при горении бенгальского огня (рис. 83).

При этом протекает следующая химическая реакция:

В результате реакции образуется вещество Fe3O4 (железная окалина). В состав формульной единицы этого вещества входят три атома железа, причем один из них имеет валентность II, а два других атома имеют валентность III. Поэтому формулу этого вещества можно представить в виде FeO * Fe2O3.

На заметку: Реакцию железа с кислородом используют для резки стальных изделий. Для этого определенный участок детали сначала нагревают с помощью кислородногазовой горелки. Затем направляют на нагретое место струю чистого кислорода, для чего перекрывают кран поступления горючего газа в горелку. Нагретое до высокой температуры железо вступает в химическую реакцию с кислородом и превращается в окалину. Так можно разрезать очень толстые железные детали.

В металлургии, для резки и сварки металлов

Кис­ло­род ис­поль­зу­ют в ме­тал­лур­гии при про­из­вод­стве стали. Также, во мно­гих ме­тал­лур­ги­че­ских аг­ре­га­тах для более эф­фек­тив­но­го сжи­га­ния топ­ли­ва вме­сто воз­ду­ха в го­рел­ках ис­поль­зу­ют кис­ло­ро­до-воз­душ­ную смесь, т.е. обо­га­ща­ют воз­дух кис­ло­ро­дом.

Рис. 1. Про­из­вод­ство стали

Кис­ло­род в бал­ло­нах ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для га­зо­пла­мен­ной резки и свар­ки ме­тал­лов. Го­рю­чий газ аце­ти­лен, сго­рая в токе кис­ло­ро­да, поз­во­ля­ет по­лу­чить тем­пе­ра­ту­ру выше 3000°С! Это при­бли­зи­тель­но вдвое боль­ше тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния же­ле­за.

2. Окислитель топлива

Кис­ло­род, вхо­дя­щий в со­став воз­ду­ха, при­ме­ня­ют для сжи­га­ния топ­ли­ва: на­при­мер, в дви­га­те­лях ав­то­мо­би­лей, теп­ло­во­зов и теп­ло­хо­дов.

В ка­че­стве окис­ли­те­ля для ра­кет­но­го топ­ли­ва при­ме­ня­ет­ся жид­кий кис­ло­род. Смесь жид­ко­го кис­ло­ро­да и жид­ко­го озона — один из самых мощ­ных окис­ли­те­лей ра­кет­но­го топ­ли­ва.

3. Применение в медицинских целях

В ме­ди­цине кис­ло­род тоже нашел свое при­ме­не­ние. Кис­ло­род ис­поль­зу­ет­ся для обо­га­ще­ния ды­ха­тель­ных га­зо­вых сме­сей при на­ру­ше­нии ды­ха­ния, для ле­че­ния астмы, про­фи­лак­ти­ки ги­по­ксии в виде кис­ло­род­ных кок­тей­лей, кис­ло­род­ных по­ду­шек. Од­на­ко чи­стым кис­ло­ро­дом при нор­маль­ном дав­ле­нии долго ды­шать нель­зя – это опас­но для здо­ро­вья.

4. Применение в пищевой промышленности

В пи­ще­вой про­мыш­лен­но­сти кис­ло­род за­ре­ги­стри­ро­ван в ка­че­стве пи­ще­вой до­бав­ки E948, как про­пел­лент и упа­ко­воч­ный газ. Про­пел­лен­ты — газы, вы­дав­ли­ва­ю­щие пи­ще­вые про­дук­ты из ём­ко­сти (кон­тей­не­ра, бал­лон­чи­ка со спре­ем, танка или хра­ни­ли­ща для сы­пу­чих про­дук­тов).

5. Биологическая роль

Кис­ло­род вы­пол­ня­ет бес­цен­ную био­ло­ги­че­скую роль.

Кис­ло­род необ­хо­дим прак­ти­че­ски всем живым су­ще­ствам для ды­ха­ния. Ды­ха­ние – это окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ный про­цесс, где кис­ло­род яв­ля­ет­ся окис­ли­те­лем. С по­мо­щью ды­ха­ния живые су­ще­ства вы­ра­ба­ты­ва­ют энер­гию, необ­хо­ди­мую для под­дер­жа­ния жизни.

III. Круговорт кислорода в природе

В природе кислород образуется в процессе фотосинтеза, который происходит в зелёных растениях на свету. В целях сохранения кислорода в воздухе вокруг городов и крупных промышленных центров создаются зоны зелёных насаждений.

10 удивительных фактов о кислороде, которые должен знать каждый

Наша планета поддерживает жизнь благодаря наличию воды, атмосферы и ее защитных слоев. Земля могла бы быть каменной пустыней, если бы не кислород — элемент, питающий жизнь на нашей планете. Вот интересные факты о газе, который содержится в нашей атмосфере в количестве 21 % ее объема.

Кислород не горит

Как ни удивительно, это чистая правда. Кислород способствует горению других элементов, но не горит сам. И хорошо, ведь если бы это было не так, одной горящей, спички было бы достаточно, чтобы сжечь весь кислород в атмосфере нашей планеты.

Кислород хорошо растворяется

Он растворяется в воде почти в два раза лучше, чем азот. Если бы у этого элемента была такая же растворимость, как у азота, в морях, озерах и реках было бы намного меньше кислорода, что сделало бы жизнь намного труднее для огромного количества живых организмов.

Вес кислорода

Этот газ отвечает за почти две трети веса большинства живых организмов, главным образом потому, что живые существа состоят из большого количества воды, а 88,9 % веса воды составляет кислород.

Нестабильный газ

Кислород (O) нестабилен в атмосфере нашей планеты и регулярно исчезает, поэтому его запас должен постоянно пополняться фотосинтезом. Без растительности и водорослей наша атмосфера почти не содержала бы O.

Кстати, говоря о водорослях, зеленые морские водоросли обеспечивают приблизительно 70 % кислорода, произведенного на Земле посредством фотосинтеза, остальные 30 % произведены оставшимися зелеными растениями.

Инопланетная жизнь

Если мы обнаружим какие-либо другие планеты с атмосферами, богатыми кислородом, можно быть практически уверенными, что на этих планетах присутствует жизнь. Значительное количество O наблюдается только там, где оно может пополняться живыми организмами.

Земная кора

Всего пять химических элементов составляют более 90 % веса земной коры. Почти половина этого веса — кислород. Кремний, алюминий, железо и кальций — оставшиеся элементы.

Холод

Мировые океаны содержат немало растворенного в воде кислорода, который поддерживает жизнь. Полярные океаны, будучи самыми холодными, содержат больше растворенного кислорода и поэтому поддерживают огромное количество живых организмов.

Озон

Озон (O3) – аллотропная форма кислорода, которая реагирует лучше, чем обычный кислород. Озон выделяется в природе во время крупных электрических выбросов (штормы и грозы с молниями) или ультрафиолетовым излучением в верхних слоях атмосферы Земли. Озон действует как защитный слой, предохраняющий нас от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей. Иногда озон вместо хлора используется в обработке питьевой воды.

Вода

Вода (H2O) является самой широко известной молекулой, содержащей кислород. Другие известные молекулы являются оксидами, например, оксид железа, или ржавчина (Fe2O3), углекислый газ (CO2), окись алюминия (Al2O3) и кварц (SiO2).

Реакции горения

Общим для рассмотренных нами реакций является то, что при их протекании выделяется много света и теплоты. Очень многие вещества именно так взаимодействуют между собой.

Рассмотренные выше реакции простых веществ серы, фосфора, углерода и железа с кислородом являются реакциями горения.

Реакциями горения называются химические реакции, протекающие с выделением большого количества теплоты и света.

Кроме простых веществ, в кислороде горят и многие сложные вещества, например метан CH4. При горении метана образуются углекислый газ и вода:

В результате этой реакции выделяется очень много теплоты. Вот почему ко многим домам подведен природный газ, основным компонентом которого является метан. Теплота, выделяющаяся при горении метана, используется для приготовления пищи и других целей.

На заметку: Некоторые химические реакции протекают очень быстро. Такие реакции называют взрывными или просто взрывами. Например, взаимодействие кислорода с водородом может протекать в форме взрыва.

Горение может протекать не только в кислороде, но и в других газах. Об этих процессах вы узнаете при дальнейшем изучении химии.

Сера

Способы получения серы

Промышленный способ

• Извлечение самородной серы из ее месторождений или вулканов
• Получение серы из серной руды с помощью пароводяного, фильтрационного, термического, центрифугального и экстракционного методов.
• Переработка природных газов, содержащих H2S и их окисление при недостатке О2.

Лабораторный способ

• Взаимодействие SО2 и H2S в водном растворе:

SО2 + 2H2S = 3S↓ + 2H2О

• Неполное окисление сероводорода:

2H2S + SO2 → 3S + 2H2O

Физические свойства серы

Сера — твердое хрупкое вещество желтого цвета. Не смачивается водой и практически нерастворимо в ней. Имеет несколько аллотропных модификаций. См. аллотропные модификации серы.

Хранение и меры предосторожности

Жидкий кислород не возгорается и не взрывается сам по себе, он не токсичен для человека и не вреден для окружающей среды. Однако активная реакция в химических процессах, а также криогенный эффект делают его не совсем безопасным веществом.

При работе с ним нужно держать подальше смазочные, горючие и легковоспламеняющиеся материалы, а также всегда использовать перчатки и спецодежду. Кислород очень низкой температуры легко повреждает кожу и может привести к обморожению, травмам и отмиранию живых клеток. Если жидкость покрывает значительную часть тела, все может закончиться даже летальным исходом.

Технический и медицинский жидкий кислород хранят сосудах Дьюара, которые делают преимущественно из стали или алюминия. Это цилиндрические контейнеры с двойными стенками, между стенками которых располагается вакуумная полость, а также теплоизоляционные материалы. Они работают по принципу термосов, хорошо сохраняя жидкости внутри.

Получение кислорода

Один из методов получения — рефракционная перегонка воздуха, но такой кислород содержит около 3% инертных газов (в основной это аргон). Другой вариант — ректификация жидкого воздуха. Этот процесс можно кратко описать так:

• воздух сжимают при давлении 100−200 атм;
• нагревают, после чего охлаждают в специальных аммиачных холодильниках;
• охлажденную смесь пропускают через дроссель, при выходе из которого давление резко падает.

При расширении газов температура понижается, и воздух сжижается. Эта операция повторяется многократно для увеличения выхода конечного продукта.

Сжиженный воздух — смесь газов (в основном это азот и кислород, остальных там меньше 1%). Из-за разницы температур кипения (у N2 она -195,8°C, кислород закипает при -183°C) из жидкого воздуха отгоняется азот, а затем O2.

Полученный этим методом кислород содержит примеси азота, поэтому его подвергают дополнительной очистке.

В лаборатории его можно получить несколькими способами. Основные из них:

• Разложение бертолетовой соли. Реакция протекает при повышенной температуре и в присутствии катализатора, в роли которого используют диоксид марганца: 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
• Процесс разложения перманганата калия при нагревании: 2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2.
• Выделяют из нитратов щелочных металлов: 2NaNO3 → 2NaNO2 + O2.
• В процессе распада оксида ртути: 2HgO → 2Hg + O2.

Еще один способ синтеза — электролизация воды в присутствии гидроксидов щелочных металлов, например, KOH. Эти вещества добавляются для увеличения электропроводности.

Тест по теме

1. /5
   Вопрос 1 из 5

   Сколько электронов включает атом кислорода?

   Начать тест

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Александр Котков

  5/5

• Мила Кондратьева

  5/5

• Семён Гольдфарб

  5/5

• Александр Котков

  5/5

Воздействие на здоровье

Кислород необходим для всех форм жизни, так как он является составной частью ДНК и почти всех других биологически важных соединений. В лёгких этот элемент поглощается атомом железа в центре гемоглобина в крови и, таким образом, транспортируется туда, где он необходим.

Каждый человек нуждается в этом элементе, чтобы дышать, но, как и во многих случаях, слишком большое его количество вредно. Если человек подвергается воздействию большого количества О2 в течение длительного времени, может произойти повреждение лёгких. Вдыхание 50−100% кислорода при нормальном давлении в течение длительного периода приводит к повреждению лёгких. Люди, которые работают с частым или потенциально высоким воздействием чистого элемента, должны пройти тесты на функционирование лёгких до начала работы и по завершении.

Применение и промышленное значение

Благодаря своим свойствам кислород широко применяется в технике. В присутствии этого элемента окислительные процессы протекают гораздо интенсивнее, чем в простом воздухе. При этом повышается температура пламени. Поэтому O2 активно применяется для интенсификации окисления в химической и металлургической промышленности (выплавка чугуна и стали, обжиг сульфидных руд, резка металлов и прочее).

Смеси жидкого кислорода с горючими веществами (углерод, сера, древесные опилки) под названием оксиликвиты используются как взрывчатое вещество в горной и горнодобывающей промышленности (при проведении горно-взрывных работ). Чистый O2 применяется в медицине (при лечении бронхиальной астмы, органов ЖКТ — приготовление специальных коктейлей, и прочее), в кислородных приборах при работе под землей и под водой, на больших высотах. Незаменим он и в процессе производства ракетного топлива (окислитель).