Top.Mail.Ru

Кислород: химические и физические свойства, сферы применения

Среди всех существующих химических элементов именно кислород занимает одно из главных мест, так как благодаря ему на планете Земля есть жизнь. На его долю приходится до 50% от общей массы земной коры. Кислород входит в состав атмосферы, а также содержится более чем в 1400 различных минералах, например, в мраморе, базальте, кремнезёме, силикате. Физические и химические свойства кислорода позволяют больше узнать об этом элементе, понять его значимость для живых организмов.

Химические свойства кислорода

Краткое описание

Кислород (О2) был открыт шведским учёным Карлом Шееле в 1771 году. Уже имеющуюся теорию в 1774 году дополнил англичанин Дж. Пристли. В первом случае использовалось нагревание селитры, а во втором для проведения эксперимента задействовали оксид ртути. Учёным удалось установить, что в свободном виде химический элемент существует в двух аллотропных модификациях — обыкновенный кислород и озон (О3). В каждом случае действуют свои характеристики.

Чтобы разобраться в том, с чем реагирует кислород, нужно изучить основные свойства этого элемента. Проведённые лабораторные исследования позволили определить, что О2 состоит из 3 стабильных изотопов. Химический элемент может занимать от 50 до 85% массы тканей животных и растений, так как содержится он в жирах, белках, а также углеводах, без которых существование организма невозможно.

О2 необходим не только для дыхания, но и для процессов окисления. Бесцветный газ практически нерастворим в воде. В атмосфере кислород может образовываться только благодаря процессам фотосинтеза. Неметаллические свойства элемента связаны со способностью атомов химических элементов присоединять к себе электроны.

Принцип строения молекулы О2

Строение молекулы О2

Кислород состоит из двух атомов. Механизм образования молекулы О2 ковалентный неполярный. Каждый атом обобществляется электроном. Для химического элемента характерна двойная связь между молекулами. У каждого атома присутствует 2 неспаренных электрона на внешнем уровне. Благодаря своим характеристикам молекула О2 весьма устойчива. Чтобы в результате химической реакции получить необходимый результат, нужно задействовать катализаторы, высокую температуру или увеличить давление.

Кислород в сочетании с Н2О повлиял на то, что на планете могут одновременно жить разные организмы. Основными поставщиками О2 являются растения. Много бесцветного газа выделяют подводные водоросли, а также некоторые разновидности бактерий.

В верхних слоях атмосферы О2 формирует озоновый шар, который защищает живые организмы от опасного ультрафиолетового солнечного излучения.

Способы получения

Развитие промышленности повлияло на то, что кислород в больших количествах начали использовать как окислитель керосина, а также других горючих материалов в космических аппаратах и ракетах. Но далеко не многие знают, какими способами можно получить незаменимый О2:

Сжижение кислорода

  • В промышленных целях используется сжижение кислорода. Из воздуха стараются удалить всю пыль, примеси, а также СО2 физическими и химическими способами. Циклический процесс подразумевает сжатие, охлаждение и последующее расширение, благодаря чему удаётся добиться сжижения воздуха. Если медленно повышать температуру, то из жидкого О2 первым делом испарятся благородные металлы, а только после этого азот. В итоге останется только чистый кислород.
  • В лабораторных условиях О2 получают благодаря специфическому термическому методу, который был предложен учёным Дж. Пристли. Весь процесс основан на термическом разложении оксидов тяжёлых металлов. В качестве примера можно рассмотреть уравнение реакции с оксидом ртути: 2HgO →2Hg + О2.
  • Кислород можно получить благодаря электролизу Н2О. В качестве катализатора вода может содержать H2SO4 или NaOH. Химическая реакция выглядит так: 2Н2О → 2Н2 + О2.
  • Чаще всего в лабораторных условиях бесцветный газ получают в результате нагревания элементов, в составе которых содержится О2 в связанном виде. Это может быть хлорат калия, перманганат калия либо нитрат калия: 2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2. Химическая реакция относится к категории диспропорционирования, так как является окислительно-восстановительной.
  • В результате разложения перекиси водорода можно получить чистый кислород. Записать эту химическую реакцию можно следующим образом: 2Н2О2 → Н2О + О2.

Химические эксперименты

Для проведения химических экспериментов часто используется перекись водорода, которая зарекомендовала себя как надёжное средство для обработки небольших ран и царапин. Этот раствор обладает высокой устойчивостью, из-за чего медленно разлагается на воду и бесцветный газ.

Выделяющийся атомарный О2 может быть использован как сильный окислитель, который позволяет побороть болезнетворные микроорганизмы. Бактерицидные свойства кислорода получили большой спрос в медицине.

Физические характеристики

В результате взаимодействия двух атомов кислорода образуется молекула простого вещества О2, которая обладает высокой устойчивостью к воздействию внешних факторов. По своим физическим характеристикам кислород при комнатной температуре является бесцветным газом, который не имеет запаха и вкуса. О2 практически не растворяется в воде. Если попробовать нагреть Н2О до +20°C, то в 1 л жидкости можно будет растворить до 31 мл кислорода. Но этого количества достаточно только для обеспечения жизнедеятельности рыб и других обитателей водоёмов.

Охлаждение кислорода

Интересные свойства кислород проявляет в процессе охлаждения. При температуре -183°C О2 переходит в прозрачную подвижную жидкость голубого цвета. Если попробовать охладить кислород до отметки -218°C, тогда образуются синие кристаллы.

Специальные сосуды Дьюара используются для транспортировки, а также хранения жидкого О2. В качестве примера можно рассмотреть обычный бытовой термос. Конструкция сосуда представляет собой колбу, которая помещена в большую ёмкость. Между ними присутствует свободное пространство, из которого откачивается воздух. Благодаря такой технологии залитая в колбу жидкость долгое время не остывает и не нагревается.

Химические свойства кислорода

В 8 классе на уроках химии можно узнать о том, что О2 находится во втором периоде 6 группы периодической таблицы Менделеева. Атомная масса химического элемента — 16. Этот элемент является неметаллом. В неорганической химии бинарные соединения О2 в комплексе с другими элементами смогли объединить в оксиды (отдельный класс сложных неорганических соединений). Кислород может вступать в реакцию не только с металлами, но и с неметаллами.

Горение в кислороде

Среди основных химических свойств О2 можно выделить то, что этот элемент обеспечивает горение различных материалов. Если в вакуумной среде нет доступа для кислорода, тогда огня не будет. Опустив в чистый О2 тлеющую лучину, можно наблюдать, как она разгорается с ещё большей силой. Процесс горения различных веществ можно кратко охарактеризовать как окислительно-восстановительный химический процесс, в котором за окисление отвечает именно кислород. Окислители — вещества, которые забирают электроны у веществ, относящихся к разряду восстановителей. Высокие окислительные свойства О2 можно объяснить наличием внешней электронной оболочки.

Чаще всего реакции с кислородом экзотермичны. Получение желаемого результата можно ускорить благодаря воздействию высоких температур. Основные химические свойства элемента:

  • Взаимодействие с неметаллами. Во всех случаях (в категорию исключений входит фтор) кислород проявляет себя как окислитель. Например: S + O2 → (t) SO2, NO + O2 → (t) NO2.
  • Химические реакции с металлами. В результате взаимодействия кислорода с металлами образуются пероксиды, оксиды, а также супероксиды. Если дело касается активных элементов, тогда нет необходимости использовать нагревание. В итоге можно составить следующие формулы: Na + O2 → Na2O2, K + O2 → KO2, Li + O2 → Li2O.
  • Горение Н2О. Это широко распространённая химическая реакция горения воды во фторе: F2 + H2O → HF + O2.

У бесцветного газа валентная оболочка максимально близко расположена к ядру, которое способно притягивать к себе электроны. О2 стоит сразу же после фтора по уровню электроотрицательности Полинга. По этой причине во время химической реакции кислород взаимодействует с другими элементами и выступает в роли отрицательного окислителя. Но есть и исключения.

Только при взаимодействии с фтором можно добиться положительного окислительного эффекта.

Сферы применения

Основные свойства О2 изучают на уроках химии в 8 классе. Применение кислорода получило большой спрос в различных отраслях современной промышленности, так как его химические и физические свойства позволяют изготавливать различные товары, а также решать много других задач. Например:

Кислородом заполняют баллоны водолазов

  • Сжигание топлива в электрических и топливных станциях.
  • Получение прочной стали из металлолома и чугуна. Сварка и резка металлических изделий.
  • Кислородом заполняют баллоны водолазов.
  • О2 применяется в цветной и чёрной металлургии.
  • Изготовление взрывчатых веществ.
  • Пищевая промышленность — добавка Е948.

Бесцветный газ ежедневно используется в медицинской отрасли. Чтобы О2 можно было использовать для решения различных задач, его предварительно сжимают, чему способствуют физические свойства этого незаменимого элемента. В таком виде газ хранится в специальных баллонах длительное время.

Уникальность О2 в том, что без него сложно представить медицину, в которой используются специальные кислородные аппараты для поддержания жизненных процессов в организме пациента. Химический элемент также применяют при лечении декомпрессионного заболевания (кессонная болезнь). Известные хим. свойства кислорода повлияли на то, что этот элемент широко востребован практически во всех отраслях современной промышленности.

Нет комментариев

Добавить комментарий

Спасибо! Ваш комментарий появится после проверки.
Это интересно
Adblock
detector