Глава 4. Подгруппа кислорода и ее типичные представители

§ 16. Кислород. Озон

В 8 классе вы на основе атомно-молекулярного учения и химического эксперимента изучали кислород как химический элемент и простое вещество. В этом параграфе мы рассмотрим строение кислорода с позиций электронной теории, дополним и обобщим сведения о нем.

Что вы знаете о распространении кислорода в природе, каков основной источник его поступления в атмосферу?
Опишите физические и химические свойства кислорода.
Как получают кислород в лаборатории, где он находит применение?

Кислород — самый распространенный из элементов нашей планеты и наиболее легкий элемент VTA-группы. Он составляет 49 % массы земной коры, гидросферы и атмосферы вместе взятых: 98 % массы гидросферы и 23 % массы атмосферы, или около 21 % ее объема. Кислород входит в состав разнообразных горных пород (гранитов, гнейсов, известняков, сланцев, песка, металлических руд и др.). В воде содержится 88,9 % кислорода (по массе). Кислород как элемент — непременная часть состава тела человека, животных и растений. Так, в теле человека содержится 65 % кислорода в составе органических соединений. Кроме того, кислород как составная часть воздуха необходим для дыхания живых организмов, его отсутствие в течение нескольких минут вызывает гибель организма в результате остановки жизненно важных процессов, протекающих с участием кислорода.

Атмосферный кислород непрерывно расходуется при дыхании живых существ, в процессах горения, гниения, ржавления, в различных производственных процессах и др. Его количество в воздухе постоянно пополняется благодаря фотосинтезу.

Строение и физические свойства кислорода O₂. Кислород — элемент 2 периода, VIA-группы. Электронная конфигурация его атома ls²2s²2p⁴. Наличие двух неспаренных электронов обеспечивает его связи с атомами других элементов.

Атом кислорода — наиболее легкий, имеет самый малый радиус (0,6 нм) из атомов элементов этой группы, высокое значение энергии ионизации (1313 кДж/моль), большое сродство к электрону (142 кДж/моль), что обеспечивает кислороду свойство окислителя. Высокое значение электроотрицательности (ОЭО = 3,5) позволяет атому кислорода оттягивать на себя общие электронные пары от атомов других элементов, поэтому он образует ковалентные полярные связи с атомами других элементов, например в молекуле воды и в других соединениях. При этом степень окисления атома кислорода обычно -2. Но существуют соединения, где его степень окисления -1, например пероксид водорода Н₂O₂, и даже +2 (OF₂ — дифторид кислорода).

Молекулярный кислород O₂ — газ без цвета и запаха, тяжелее воздуха, мало растворим в воде: в 100 объемах воды при 20 °С растворяется около трех объемов кислорода. При нормальном давлении и температуре -183 °С он снижается и при -219 °С — затвердевает. В жидком и твердом состоянии имеет бледно-синюю окраску. Молекула кислорода — двухатомная, неполярная, термически очень устойчива, что объясняется высокой энергией ее связей (494 кДж/моль), она диссоциирует на атомы при температуре свыше +1500 °С.

Химические свойства кислорода. По химической активности кислород уступает только фтору. С большинством простых веществ реагирует непосредственно, за исключением галогенов, благородных газов, платины и золота.

Важнейшим химическим свойством кислорода является его способность соединяться с большинством простых и сложных веществ с выделением тепла и света. Эти реакции окислительно-восстановительные, экзотермические. Некоторые опыты по горению веществ в кислороде вы наблюдали при изучении кислорода в 8 классе (горение угля, серы, фосфора, железа).

Задание. Опишите горение известных вам простых и сложных веществ в кислороде, укажите условия возникновения и протекания реакций, запишите уравнения этих реакций.

Вы знаете, что человеку и другим живым организмам молекулярный кислород необходим для дыхания. Главная химическая функция кислорода — окисление веществ. Реакции окисления в организме (биохимические) всегда сопровождаются выделением энергии, часть которой превращается в тепловую, а часть используется в ряде внутренних процессов, обеспечивающих жизнедеятельность. Для живых клеток чрезвычайно важно, чтобы в этих процессах кислород полностью утилизировался.

Если процесс восстановления кислорода нарушается, то образуются разные активные его формы, способствующие свободно-радикальному окислению различных биосуб- стратов, накоплению свободных радикалов в клетке. Защита от вредного воздействия активных форм кислорода осуществляется с помощью веществ-антиоксидантов, обычно восстановителей, превращающих эти активные формы кислорода в восстановленные (в биосистемах — это вода).

Вам известно, что на воздухе, в составе которого содержится около 21 % кислорода, горят: природный газ, некоторые жидкости, ткани, дрова и др. Но все эти процессы энергичнее протекают в чистом кислороде. Так, например, при сжигании горючих газов в токе чистого кислорода в специально для этого созданных аппаратах (горелках) температура пламени резко возрастает, например в ацетиленовой горелке она достигает 3000 °С, поэтому горелку используют для сварки и резки металлов.

Получение и применение кислорода

Задание. В 8 классе вы изучили кислород, его свойства, получение и применение. Вспомните и опишите реакции, с помощью которых можно получить кислород в лаборатории.

В промышленности кислород в основном получают из жидкого воздуха. Это метод фракционной перегонки. Переведенный в жидкое состояние воздух нагревают до температуры выше -195,8 °С (это температура кипения азота), азот испаряется и остается почти чистый кислород. Иногда его получают разложением воды электрическим током (при наличии дешевой электроэнергии). Кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах.

Кислород находит широкое применение в металлургической (для выплавки чугуна и стали, для резки и сварки металлов и др.), в химической промышленности (для получения азотной и серной кислоты, в органическом синтезе и др.), для интенсификации производственных процессов. Кислород используется как компонент дыхательной смеси в подводных лодках, самолетах, космических корабях и в медицине, для поддержания жизни больных с затрудненным дыханием. Жидкий кислород применяют для изготовления взрывчатых веществ и как составляющую ракетного топлива.

Важнейшими соединениями кислорода кроме оксидов металлов и неметаллов являются вода (которая может рассматриваться как оксид водорода) и пероксид водорода.

Окончание параграфа >>>