Какво е кислородът? Кислородни съединения

Кислородът (O) е неметален химически елемент от група 16 (VIa) на периодичната таблица. Той е безцветен, безвкусен и без мирис газ, необходим за живите организми - животните, които го превръщат въглероден диоксид, и растения, които използват CO₂

История на откритието

През 1772 шведският химик Карл Вилхелм Шеле първо демонстрира какъв кислород е, като го получава чрез нагряване на нитрати калий, оксид живак, както и много други вещества. Независимо от него през 1774 г., на английски химик Джоузеф Пристли открива химичния елемент от термично разлагане на живачен окис и се публикува откритията си в една и съща година, три години преди Шеле публикуване. В годините 1775-1780 френският химик Антоан Лавоазие тълкува ролята на кислорода в дъха и изгарянето, като се отстраняват теорията за флогистон, общоприето по онова време. Той отбеляза склонността си да образува киселини, когато се комбинира с различни вещества и се нарича елемент oxygène, което на гръцки означава "раждане на киселина".

преобладаване

Какво е кислородът? Чрез изграждането на 46% от масата на земната кора е най-честият елемент на земната кора. Количеството кислород в атмосферата е 21% по обем, а теглото в морска вода е 89%.

В скали елемент в комбинация с метали и неметали като оксиди, които са киселинни (например, сяра, въглерод, алуминий и фосфор) или основни (калций, магнезий и желязо) и като сол-подобни съединения, които могат да се разглеждат като образувана от киселина и основни оксиди, като сулфати, карбонати, силикати, алуминати и фосфати. Макар че те са многобройни, но тези твърда храна не могат да служат като източници на кислород, тъй като разчупването на връзката между елемента и металните атоми е твърде енергийно интензивно.

Удобства

Ако температурата на кислорода е под -183 ° C, тя става бледо синя течност и при -218 ° C става твърдо. Pure O₂ 1,1 пъти по-тежки от въздуха.

По време на дишане животни и някои бактерии консумират кислород от атмосферата и рециклиран въглероден двуокис, като в зелено растение фотосинтеза в присъствието на слънчева светлина абсорбира въглероден диоксид и освобождава свободен кислород. Почти всички О₂ в атмосферата се получава като резултат от фотосинтезата.

При 20 ° С приблизително 3 обемни части кислород се разтварят в 100 части прясна вода, малко по-малко в морската вода. Това е необходимо за дишане на риба и други морски живот.

Природният кислород е смес от три стабилни изотопа: ¹⁶О (99.759%), ¹⁷О (0.037%) и ¹⁸О (0.204%). Няколко изкуствено получени радиоактивни изотопи са известни. Най-дълъг от тях е ¹⁵O (с период на полуразпад от 124 s), който се използва за изследване на дишането при бозайници.

allotrope

По-ясна представа за това какво е кислородът, можете да получите две от неговите алоотропни форми, диатомични (О.₂) и триатомична (О.₃, озон). Свойствата на диатомичната форма предполагат, че шест електрона свързват атоми, а два остават непаркови, причинявайки парамагнетизъм на кислорода. Три атома в молекулата на озона не са разположени на една и съща права линия.

Озонът може да се получи в съответствие с уравнението: 30₂ → 20₃.

Процесът е ендотермичен (изисква консумация на енергия) - превръщането на озона обратно в диатомен кислород се улеснява от наличието на преходни метали или техните оксиди. Чистият кислород се превръща в озон под въздействието на светещо електрическо разреждане. Реакцията протича също и когато ултравиолетовата повърхност се абсорбира с дължина на вълната около 250 nm. Появата на този процес в горните слоеве на атмосферата елиминира радиацията, която може да увреди живота на повърхността на Земята. Миризмата на озон присъства в затворени помещения с пенливо електрическо оборудване, като генератори. Това е светлосин газ. Плътността му е 1.658 пъти по-голяма от тази на въздуха и има точка на кипене -112 ° C при атмосферно налягане.

Озон - силен окислител, способен да преобразува серен диоксид триоксид сулфид до сулфат, йодид, йод (аналитичен метод за осигуряване на своята оценка), както и много производни на органични съединения, съдържащи кислород, като например алдехиди и киселини. Превръщането на въглеводороди от автомобилни отработени газове в озон до тези киселини и алдехиди е причина за смог. В промишлеността озонът се използва като химически реагент, дезинфектант, за пречистване на отпадъчни води, пречистване на вода и избелване на тъканите.

Методи за получаване

Начинът, по който се произвежда кислород, зависи от това колко газ се изисква. Лабораторните методи са, както следва:

1. Термично разлагане на някои соли, като калиев хлорат или калиев нитрат:

• 2KClO₃ → 2KCI + 30₂.
• 2KNO₃ → 2KNO₂ + О₂.

Разлагането на калиев хлорат се катализира от окиси на преходен метал. За тази цел манганов диоксид (пиролит, MnO₂). Катализаторът намалява температурата, необходима за освобождаване на кислород от 400 до 250 ° С.

2. Разлагане на металните оксиди под въздействието на температурата:

• 2HgO → 2Hg + O₂.
• 2ag₂O → 4Ag + O₂.

Scheele и Priestley използват съединението (оксид) на кислород и живак (II), за да получат този химичен елемент.

3. Термично разграждане на метални пероксиди или водороден прекис:

• 2BaO + O₂ → 2BaO₂.
• 2BaO₂ → 2BaO + O₂.
• BaO₂ + Н₂SO₄ → H₂О₂ + BaSO₄.
• 2H₂О₂ → 2Н₂O + O_2.

Първите промишлени методи за разделяне на кислорода от атмосферата или за производството на водороден прекис зависят от образуването на бариев пероксид от оксида.

4. Електролиза на водата с малки примеси от соли или киселини, които осигуряват проводимостта на електрическия ток:

2H₂О = 2Н₂ + О₂

Промишлено производство

Ако е необходимо да се получат големи количества кислород, се използва фракционна дестилация на течен въздух. От основните компоненти на въздуха, той има най-високата точка на кипене и следователно е по-малко летлив от азота и аргона. В процеса се използва охлаждането на газ, тъй като се разширява. Основните стъпки на операцията са следните:

• въздухът се филтрира, за да се отстранят твърдите вещества;
• влага и въглероден диоксид се отстраняват чрез абсорбция в алкали;
• въздухът се компресира и топлината на компресията се отстранява чрез конвенционалните охлаждащи процедури;
• после влиза в серпентината в камерата;
• част от сгъстения газ (при налягане от около 200 атм) се разширява в камерата, охлаждайки намотката;
• разширеният газ се връща в компресора и преминава през няколко етапа на последващо разширяване и компресиране, така че при -196 ° С въздухът става течен;
• течността се загрява, за да се дестилират първите леки инертни газове, а след това азотът и остава течен кислород. Многократното фракциониране дава продукт, който е сравнително чист (99,5%) за повечето промишлени цели.

Използване в индустрията

Металургия е най-големият потребител на чист кислород за производството на високо-въглеродна стомана: да се отърве от неметали от въглероден двуокис и други примеси, така че по-бързо и по-лесно, отколкото с въздух.

Пречистването на отпадни води с кислород е обещаващо за по-ефективно третиране на течните отпадъчни води, отколкото в други химични процеси. Изгарянето на отпадъци в затворени системи, използващи чист О₂.

Така нареченият ракетен оксидатор е течен кислород. Pure O₂ Използва се на подводници и водолазни камбани.

В химическата промишленост кислородът заменя конвенционалния въздух в производството на вещества като ацетилен, етилен оксид и метанол. Медицинските приложения включват използването на газ в кислородни камери, инхалатори и инкубатори за деца. Едно кислородно обогатена газова анестезия осигурява подкрепа за живота по време на обща анестезия. Без този химичен елемент не биха могли да съществуват редица отрасли, използващи топилни пещи. Това е, което е кислородът.

Химични свойства и реакции

Големите стойности на електронегативността и афинитета на кислорода от електрони са типични за елементите, които показват неметални свойства. Всички кислородни съединения имат отрицателно състояние на окисление. Когато две орбитали се запълват с електрони, един О^2-. В пероксидите (О.₂^2-) се приема, че всеки атом има заряд от -1. Това свойство е да се вземат електрони чрез пълно или частично предаване и определя окислителя. Когато такова средство реагира с донор на електрони, своето собствено състояние на окисляване намалява. Промяната (намаляването) на състоянието на кислородното окисление от нула до -2 се нарича възстановяване.

При нормални условия елементът образува диатомични и триатомични съединения. Освен това съществуват изключително нестабилни тетрахаломични молекули. В диатомична форма два незалепени електрона се намират върху несвързани орбитали. Това се потвърждава от парамагнитното поведение на газа.

Силната реактивност на озона понякога се обяснява с предположението, че един от трите атома е в "атомното" състояние. Когато реагира, този атом се дисоциира от О₃, оставяйки молекулния кислород

Молекула О₂ при нормални температури и атмосферно налягане е леко реактивен. Атомният кислород е много по-активен. Дисоциационна енергия (О₂ → 20) е значима и възлиза на 117,2 kcal на мол.

връзки

С неметалите като водород, въглерод и сяра, кислородът образува голям брой ковалентно свързани съединения, сред които неметални окиси като вода (Н₂О), серен диоксид (SO₂) и въглероден диоксид (CO₂) - органични съединения като алкохоли, алдехиди и карбоксилни киселини - обикновени киселини, като въглерод (Н.₂CO₃), сярна (Н₂SO₄) и азотна (HNO₃) и съответните соли, такива като натриев сулфат (Na₂SO₄), натриев карбонат (Na₂CO₃) и натриев нитрат (NaNO₃). Кислородът присъства като О^2- в кристалната структура на твърди метални оксиди, като например съединението (оксид) на кислород и калциев СаО. Метален супероксид (CO₂) съдържат О₂^- , докато металните пероксиди (BaO₂), съдържат йон О₂^2-. Кислородните съединения обикновено имат степен на окисление -2.

Основни свойства

Накрая, ние изброяваме основните свойства на кислорода:

• Електронна конфигурация: 1s²2s²2P⁴.
• Атомен номер: 8.
• Атомно тегло: 15,9994.
• Точка на кипене: -183,0 ° С.
• Точка на топене: -218,4 ° С.
• Плътност (ако налягането на кислорода е 1 atm при 0 ° С): 1.429 g / l.
• Оксидационни състояния: -1, -2, +2 (в съединения с флуор).