Кислород (Лекция 7)

Кислород — химический элемент 16-й группы, второго периода периодической системы, с атомным номером 8.
Относится к группе халькогенов, которая также включает серу S, селен Se, теллур Te, полоний Po и искусственно полученный радиоактивный ливерморий Lv.
Кислород

Характеристика кислорода по таблице Менделеева

Строение электронной оболочки кислорода
На внешнем электронном уровне – 6 электронов.
Строение электронной оболочки атома кислорода:

Возможные степени окисления
Кислород в соединениях имеет постоянную степень окисления, равную -2 (H2+1O-2, Fe+2O-2, Mn2+7O7-2).
Исключение составляют: пероксиды в которых степень окисления равна -1 (H2+1O2-1, Me2+1O2-1),
а также фторид кислорода, где степень окисления кислорода равна +2 (O+2F2-1);
FeO
Na2O2
Mn2O7

Строение молекул кислорода и озона
Кислород O2
Озон О3
Молекулу озона можно представить в виде резонансных структур, на самом же деле строению озона отвечает нечто среднее между этими структурами.
Связь между атомами в молекуле двойная, так как у каждого атома имеются два неспаренных электрона на внешнем энергетическом уровне.

Сравнение физических свойств озона и кислорода

Кислород – нахождение в природе
Кислород – самый распространённый элемент на Земле. На его долю в составе различных соединений приходится ~47,4% массы твёрдой земной коры.
В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95% (по объёму).
Кислород входит в состав более 1500 соединений земной коры.
Также элемент кислород входит в состав многих важных органических соединений: углеводов, жиров, аминокислот, белков.

Задание №1
Определите, какое количество (массовая концентрация) связанного кислорода содержится в морских и пресных водах?
Ответ
Молекула воды – H2O
M(H2O) = 18 г/моль
M(O) = 16 г/моль
w(O) = 16/18 = 0,889 = 88,9%

Озон в стратосфере

Озон в стратосфере
Озон поглощает 97% ультрафиолетовой солнечной радиации, губительно действующей на живые организмы, тем самым озон создаёт уникальные условия для жизни на Земле.
Озоновый слой – часть стратосферы на высоте 15-25 км с наибольшим содержанием озона.
Для образование озона выше не хватает кислорода, а ниже – ультрафиолетовой радиации, которую излучает Солнце.

Озон в тропосфере
Те самые молекулы озона, которые защищают нас от губительного действия ультрафиолетового излучения, в тропосфере представляют собой опасное вещество, разрушающее живую ткань, включая лёгкие человека.
Однако содержание озона в тропосфере крайне мало.
Озон образуется в тропосфере во время грозы.

Взаимные превращения кислорода и озона
В тропосфере озон образуется во время грозы:
3О2 = 2О3 (эл. ток)
В стратосфере озон образуется в результате фотохимическое диссоциации молекулярного кислорода под действием солнечной радиации (hν):
O2 + hν = O + O*
O + O2 + M = O3 + M*
O3 + hν = O + O2
М – любая молекула (обычно N2 или O2), уносящая из реакции избыток энергии.

Химические свойства кислорода
Кислород обладает высокой химической активностью, он окисляет многие вещества уже при комнатной температуре.
При нагревании, освещении или в присутствии катализатора реакции с кислородом протекают очень бурно и сопровождаются выделением большого количества тепла.
4Fe + 3O2 = 2 Fe2O3

Химические свойства кислорода
При взаимодействии кислорода со многими веществами выделяются теплота и свет. Эти процессы называются горением. Они часто сопровождаются пламенем.
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
2B(OC2H5)3 + 18O2 = B2O3 + 15H2O + 12CO2

Химические свойства кислорода
При комнатной температуре кислород реагирует с щелочными и щелочно-земельными металлами. Литий и кальций при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, натрий — перокcид:
4Li + O2 = 2Li2O
2Ca + O2 = 2CaO
2Na + O2 = Na2O2 – пероксид натрия

Химические свойства кислорода
При нагревании кислород реагирует практически со всеми металлами, образуя оксиды:
4Al + 3O2 = 2Al2O3
2Zn + O2 = 2ZnO
3Fe + 2O2 = Fe3O4 (FeO·Fe2O3)

Химические свойства кислорода
Кислород взаимодействует практически со всеми простыми веществами-неметаллами, кроме хлора, брома, иода и инертных газов. При этом образуется оксид этого неметалла:
S + O2 = SO2
4P + 5O2 = 2P2O5
Избыток кислорода: С + О2 = СО2
Недостаток кислорода: 2С + О2 = 2СО

Химические свойства кислорода
С водородом кислород образует взрывоопасную смесь. При объёмном соотношении H2 : O2 = 2 : 1 такую смесь называют «гремучим газом».
2H2 + O2 = 2H2O

Химические свойства кислорода
Кислород взаимодействует со многими сложными веществами. Например, реакции обжига сульфидов металлов:
CuS + O2 = CuO + SO2
FeS + O2 = Fe2O3 + SO2
HgS + O2 = Hg + SO2
Расставьте коэффициенты методом электронного баланса

Химические свойства кислорода
Кислород взаимодействует со многими сложными веществами. Например, реакции обжига сульфидов металлов:
2CuS + 3O2 = 2CuO + 2SO2
4FeS + 7O2 = 2Fe2O3 + 4SO2
HgS + O2 = Hg + SO2

Химические свойства кислорода
При сгорании органических веществ в избытке кислорода образуются вода и углекислый газ, например, горение этилового спирта:
C2H5OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O

Получение кислорода в лаборатории

Получение кислорода в промышленности
Сжижением воздуха с помощью холодильных машин. Далее, используя различие температур кипения кислорода (-183 °С) и азота (-196 °С), выделяют кислород.
Чистый кислород получают электролизом воды.
Это очень дорогой метод.
2H2O = 2H2 + O2

Получение кислорода в природе
Фотосинтез – один из важнейших процессов на Земле.

Применение кислорода
В сельском хозяйстве;
В тепловой энергетике и металлургии;
В нефтедобыче;
В медицине;
В военной технике;
Баллоны для дыхания;
Для сжигания топлива в двигателях машин;
Для сжигания топлива с получением тепла, для приготовления пищи;
Окислитель при производстве стали, удобрения, пластмасс;
Сжиженный кислород используют в двигателях ракет в качестве окислителя.

Применение озона
Дезинфекция воды;
Отбеливание тканей и некоторых материалов;
В медицине;
Для идентификации соединений.

Почему небо голубое?
Причина – рассеяние Рэлея. Когда свет движется через атмосферу, большая часть длинных волн оптического спектра (фиолетовый, синий, голубой) проходит без изменений, в то время как некоторая часть красного, оранжевого и жёлтого цветов взаимодействует с воздухом.
Более короткие волны тоже поглощаются молекулами газов, в т.ч. кислорода. После поглощения голубой цвет излучается во всех направлениях.