Физические и химические свойства кислорода

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кислород – элемент второго периода VIA группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 8. Символ – О.

Атомная масса – 16 а.е.м. Молекула кислорода двухатомна и имеет формулу – О₂

Кислород относится к семейству p-элементов. Электронная конфигурация атома кислорода 1s²2s²2p⁴. В своих соединениях кислород способен проявлять несколько степеней окисления: «-2», «-1» (в пероксидах), «+2» (F₂O). Для кислорода характерно проявление явления аллотропии – существования в виде нескольких простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропные модификации кислорода – кислород O₂ и озон O₃.

Химические свойства кислорода

Кислород является сильным окислителем, т.к. для завершения внешнего электронного уровня ему не хватает всего 2-х электронов, и он легко их присоединяет. По химической активности кислород уступает только фтору. Кислород образует соединения со всеми элементами кроме гелия, неона и аргона. Непосредственно кислород нее вступает в реакции взаимодействия с галогенами, серебром, золотом и платиной (их соединения получают косвенным путем). Почти все реакции с участием кислорода – экзотермические. Характерная особенность многих реакций соединения с кислородом — выделение большого количества теплоты и света. Такие процессы называют горением.

Взаимодействие кислорода с металлами. Со щелочными металлами (кроме лития) кислород образует пероксиды или надпероксиды, с остальными – оксиды. Например:

4Li + O₂ = 2Li₂O;

2Na + O₂ = Na₂O₂;

K + O₂ = KO₂;

2Ca + O₂ = 2CaO;

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃;

2Cu + O₂ = 2CuO;

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

Взаимодействие кислорода с неметаллами. Взаимодействие кислорода с неметаллами протекает при нагревании; все реакции экзотермичны, за исключением взаимодействия с азотом (реакция эндотермическая, происходит при 3000 $^{\circ}$ С в электрической дуге, в природе – при грозовом разряде). Например:

4P + 5O₂ = 2P₂O₅;

S+ O₂ = SO₂;

С + O₂ = СО₂;

2Н₂ + O₂ = 2Н₂О;

N₂ + O₂ ↔ 2NO – Q.

Взаимодействие со сложными неорганическими веществами. При горении сложных веществ в избытке кислорода образуются оксиды соответствующих элементов:

2H₂S + 3O₂ = 2SO₂↑ + 2H₂O (t $^{\circ}$ );

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂↑ + 6H₂O (t $^{\circ}$ );

4NH₃ + 5O₂ = 4NO↑ + 6H₂O (t $^{\circ}$ , kat);

2PH₃ + 4O₂ = 2H₃PO₄ (t $^{\circ}$ );

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O;

4FeS₂+11O₂ = 2Fe₂O₃ +8 SO₂↑ (t $^{\circ}$ ).

Кислород способен окислять оксиды и гидроксиды до соединений с более высокой степенью окисления:

2CO + O₂ = 2CO₂ (t $^{\circ}$ );

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ (t $^{\circ}$ , V₂O₅);

2NO + O₂ = 2NO₂;

4FeO + O₂ = 2Fe₂O₃ (t $^{\circ}$ ).

Взаимодействие со сложными органическими веществами. Практически все органические вещества горят, окисляясь кислородом воздуха до углекислого газа и воды:

CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ +H₂O.

Кроме реакций горения (полное окисление) возможны также реакции неполного или каталитического окисления, в этом случае продуктами реакции могут быть спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и другие вещества:

Окисление углеводов, белков и жиров служит источником энергии в живом организме.

Физические свойства кислорода

Кислород – самый распространенный элемент на земле (47% по массе). В воздухе содержание кислорода составляет 21% по объему. Кислород – составная часть воды, минералов, органических веществ. В растительных и животных тканях содержится 50 -85 % кислорода в виде различных соединений.

В свободном состоянии кислород представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, плохо растворимый в воде (в 100 л воды при 20 $^{\circ}$ С растворяется 3 л кислорода. Жидкий кислород голубого цвета, обладает парамагнитными свойствами (втягивается в магнитное поле).

Получение кислорода

Различают промышленные и лабораторные способы получения кислорода. Так, в промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха, а к основным лабораторным способам получения кислорода относят реакции термического разложения сложных веществ:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

4K₂Cr₂O₇ = 4K₂CrO₄ + 2Cr₂O₃ +3 O₂↑

2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂↑

2KClO₃ = 2KCl +3 O₂↑

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При разложении 95 г оксида ртути (II) образовалось 4,48 л кислорода (н.у.). Вычислите долю разложившегося оксида ртути (II) (в мас. %).

Решение

Запишем уравнение реакции разложения оксида ртути (II):

2HgO = 2Hg + O₂.

Зная объем выделившегося кислорода, найдем его количество вещества:

$n = \frac{V}{V_m} = \frac{V}{22,4}$

$n(O_2) = \frac{4,48}{22,4} = 0,2$ моль.

Согласно уравнению реакции n(HgO):n(O₂) = 2:1, следовательно,

n(HgO) = 2×n(O₂) = 0,4 моль.

Вычислим массу разложившегося оксида. Количество вещества связано с массой вещества соотношением:

$n = \frac{m}{M}$

Молярная масса (молекулярная масса одного моль) оксида ртути (II), рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 217 г/моль. Тогда масса оксида ртути (II) равна:

m (HgO) = n (HgO) ×M (HgO) = 0,4×217 = 86,8 г.

Определим массовую долю разложившегося оксида:

$\omega(HgO)_{decomp} = \frac{m(HgO)_{decomp}}{m(HgO)_{start}}\cdot 100 = \frac{86,80}{97,65}\cdot 100 = 88,9(\%)$

Ответ

Массовая доля оксида ртути (II) равна 88,9%.

ПРИМЕР 2

Задание

Вычислите, какое количество теплоты выделится при сжигании 100 л водорода (н.у.). Термохимическое уравнение реакции: 2H₂+O₂ = 2H₂O+572 кДж.

Решение

Еще раз запишем уравнение реакции:

2H₂+O₂ = 2H₂O+572 кДж.

Вычислим количество вещества водорода:

$n = \frac{V}{V_m} = \frac{V}{22,4}$

n(H₂) = 100/22,4 = 4,46 моль.

Количество вещества связано с его массой формулой:

$n = \frac{m}{M}$

Молярная масса (молекулярная масса одного моль) водорода, рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 2 г/моль. Тогда водорода равна:

m (H₂) = n (H₂) ×M (H₂) = 4,46×2 = 8,92 г.

Количество вещества водорода, согласно термохимическому уравнению равно 2 моль, тогда, его теоретическая масса будет равна 4 г. Составим пропорцию:

8,92 г Н₂ – Q кДж тепла

4 г Н₂ – 572 кДж тепла.

Найдем, количество теплоты, выделившееся при сжигании 100 л водорода:

Q = (572 × 8,92)/4 = 1275,56 кДж.