Што такое кісларод? злучэння кіслароду

Кісларод (O) - неметалічны хімічны элемент групы 16 (VIa) перыядычным табліцы. Ён уяўляе сабой бескаляровы, без густу і паху газ, неабходны для жывых арганізмаў - жывёл, якія ператвараюць яго ў вуглякіслы газ, і раслін, якія выкарыстоўваюць CO ₂ у якасці крыніцы вугляроду і вяртаюць O ₂ ў атмасферу. Кісларод ўтварае злучэння, рэагуючы практычна з любым іншым элементам, а таксама выцясняе хімічныя элементы з сувязі адзін з адным. У многіх выпадках гэтыя працэсы суправаджаюцца вылучэннем цяпла і святла. Найбольш важным злучэннем кіслароду з'яўляецца вада.

Гісторыя адкрыцця

У 1772 г. швецкі хімік Карл Вільгельм Шэель ўпершыню прадэманстраваў, што такое кісларод, атрымаўшы яго шляхам награвання нітрату калію, аксіду ртуці, а таксама многіх іншых рэчываў. Незалежна ад яго ў 1774 годзе англійская хімік Джозэф Прыстлі адкрыў гэты хімічны элемент шляхам тэрмічнага раскладання аксіду ртуці і апублікаваў свае высновы ў тым жа годзе, за тры гады да публікацыі Шэель. У 1775-1780 гадах французскі хімік Антуан Лавуазье інтэрпрэтаваў ролю кіслароду ў дыханні і гарэнні, адкінуўшы тэорыю флогистона, агульнапрынятую ў той час. Ён адзначыў яго схільнасць да адукацыі кіслот пры злучэнні з рознымі рэчывамі і назваў элемент oxygène, што па-грэцку азначае «які нараджае кіслату».

распаўсюджанасць

Што такое кісларод? Складаючы 46% масы зямной кары, ён з'яўляецца самым распаўсюджаным яе элементам. Колькасць кіслароду ў атмасферы складае 21% па аб'ёме, а па вазе ў марской вадзе яго 89%.

У пародах элемент спалучаецца з металамі і неметаламі ў выглядзе аксідаў, якія з'яўляюцца кіслотнымі (напрыклад, серы, вугляроду, алюмінія і фосфару) або асноўнымі (солі кальцыя, магнію і жалеза), і ў якасці солеобразных злучэнняў, якія можна разглядаць як утвораныя з кіслотных і асноўных аксідаў, такіх як сульфаты, карбанаты, сілікатаў, алюмінатам і фасфаты. Хоць яны і шматлікія, але гэтыя цвёрдыя рэчывы не могуць служыць крыніцамі кіслароду, так як разрыў сувязі элемента з атамамі металу зашмат энергіі.

асаблівасці

Калі тэмпература кіслароду ніжэй -183 ° C, то ён становіцца бледна-блакітны вадкасцю, а пры -218 ° С - цвёрдым. Чысты O ₂ у 1,1 разы цяжэй паветра.

Падчас дыхання жывёлы і некаторыя бактэрыі спажываюць кісларод з атмасферы і вяртаюць вуглякіслы газ, тады як у працэсе фотасінтэзу зялёныя расліны ў прысутнасці сонечнага святла засвойваюць вуглякіслы газ і вылучаюць свабодны кісларод. Амаль увесь O ₂ у атмасферы выраблены ў выніку фотасінтэзу.

Пры 20 ° C прыкладна 3 аб'ёмныя часткі кіслароду раствараюцца ў 100 частках прэснай вады, крыху менш - у марской вадзе. Гэта неабходна для дыхання рыб і іншых марскіх насельнікаў.

Прыродны кісларод ўяўляе сабой сумесь з трох стабільных ізатопаў: ¹⁶ O (99,759%), ¹⁷ O (0,037%) і ¹⁸ O (0,204%). Вядомыя некалькі штучна атрыманых радыёактыўных ізатопаў. Найбольш доўгажывучым з іх з'яўляецца ¹⁵ O (з перыядам паўраспаду 124 с), які выкарыстоўваецца для вывучэння дыхання ў млекакормячых.

Аллотропы

Больш яснае ўяўленне, што такое кісларод, дазваляюць атрымаць дзве яго алатропныя формы, двухатомные (O ₂₎ і трехатомная (O _3, азон). Ўласцівасці двухатомные формы дазваляюць выказаць здагадку, што шэсць электронаў звязваюць атамы і два застаюцца неспаренного, выклікаючы парамагнетизм кіслароду. Тры атама ў малекуле азону не размешчаны на адной прамой.

Азон можа быць атрыманы ў адпаведнасці з раўнаннем: 3O ₂ → 2O _3.

Працэс з'яўляецца эндотермическим (патрабуе выдаткаў энергіі); ператварэнню азону назад у двухатомный кісларод спрыяе наяўнасць пераходных металаў або іх вокіслаў. Чысты кісларод ператвараецца ў азон пад дзеяннем які цьмее электрычнага разраду. Рэакцыя таксама адбываецца пры паглынанні ультрафіялету з даўжынёй хвалі каля 250 нм. Узнікненне гэтага працэсу ў верхніх пластах атмасферы ліквідуе выпраменьванне, якое магло б нанесці шкоду жыцця на паверхні Зямлі. З'едлівы пах азону прысутнічае ў закрытых памяшканнях з іскрыстым электраабсталяваннем, такім як генератары. Гэта газ светла-блакітнага колеру. Яго шчыльнасць ў 1,658 разы больш, чым паветра, і ён мае тэмпературу кіпення -112 ° С пры атмасферным ціску.

Азон - моцны акісляльнік, здольны ператвараць дыяксід серы ў триоксид, сульфід ў сульфат, ёдыд ў ёд (забяспечваючы аналітычны метад яго ацэнкі), а таксама шматлікія арганічныя злучэнні ў Кіслародзмяшчальныя вытворныя, такія як альдэгіды і кіслоты. Ператварэнне азонам вуглевадародаў з аўтамабільных выхлапных газаў у гэтыя кіслаты і альдэгіды з'яўляецца прычынай смогу. У прамысловасці азон выкарыстоўваецца ў якасці хімічнай рэагента, дэзінфікуе сродкі, для апрацоўкі сцёкавых вод, ачысткі вады і адбельвання тканін.

метады атрымання

Спосаб вытворчасці кіслароду залежыць ад таго, якая колькасць газу патрабуецца атрымаць. Лабараторныя метады наступнае:

1. Тэрмічнае раскладанне некаторых соляў, такіх як хлорат калія або нітрат калія:

• 2KClO ₃ → 2KCl + 3O _2.
• 2KNO ₃ → 2KNO ₂ + O _2.

Разлажэнне хлората калія каталізуе аксідамі пераходных металаў. Для гэтага часта выкарыстоўваецца дыяксід марганца (пиролюзит, MnO _2). Каталізатар зніжае тэмпературу, неабходную для вылучэння кіслароду, з 400 да 250 ° С.

2. Раскладанне аксідаў металаў пад дзеяннем тэмпературы:

• 2HgO → 2Hg + O _2.
• 2Ag ₂ O → 4Ag + O _2.

Шэель і Прыстлі для атрымання гэтага хімічнага элемента выкарыстоўвалі злучэнне (аксід) кіслароду і ртуці (II).

3. Тэрмічнае раскладанне металічных пераксіду або перакісу вадароду:

• 2BaO + O ₂ → 2BaO _2.
• 2BaO ₂ → 2BaO + O _2.
• BaO ₂ + H ₂ SO ₄ → H ₂ O ₂ + BaSO _4.
• 2H ₂ O ₂ → 2H ₂ O + O _2.

Першыя прамысловыя метады вылучэння кіслароду з атмасферы або для вытворчасці перакісу вадароду залежалі ад адукацыі пераксіду барыю з аксіду.

4. Электроліз вады з невялікімі прымешкамі соляў або кіслот, якія забяспечваюць праводнасць электрычнага току:

2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂

прамысловая вытворчасць

Пры неабходнасці атрымаць вялікія аб'ёмы кіслароду ўжываюць фракцыйную перагонкі вадкага паветра. З асноўных кампанентаў паветра ён мае самую высокую тэмпературу кіпення і, такім чынам, у параўнанні з азотам і аргонам менш лятучы. У працэсе выкарыстоўваецца астуджэнне газу пры яго пашырэнні. Асноўныя этапы аперацыі наступнае:

• паветра фільтруецца для выдалення цвёрдых часціц;
• вільгаць і вуглякіслы газ выдаляюцца шляхам абсорбцыі ў шчолачы;
• паветра сціскаецца, і цеплыня сціску выдаляецца звычайнымі працэдурамі астуджэння;
• затым ён паступае ў змеявік, які знаходзіцца ў камеры;
• частка сціснутага газу (пры ціску каля 200 атм) пашыраецца ў камеры, астуджаючы змеявік;
• пашыраны газ вяртаецца ў кампрэсар і праходзіць некалькі стадый наступнага пашырэння і сціску, у выніку чаго пры тэмпературы -196 ° C паветра становіцца вадкім;
• вадкасць награваецца для перагонкі першых лёгкіх інэртных газаў, затым азоту, а вадкі кісларод застаецца. Шматразовае фракцыянавання вырабляе прадукт, дастаткова чысты (99,5%) для большасці прамысловых мэтаў.

Выкарыстанне ў прамысловасці

Металургія з'яўляецца найбуйнейшым спажыўцом чыстага кіслароду для вытворчасці высокавугляродзістага сталі: пазбавіцца ад двухвокісу вугляроду і іншых прымешак неметаллов так хутчэй і лягчэй, чым пры выкарыстанні паветра.

Ачыстка сцёкавых вод кіслародам перспектыўная для больш эфектыўнай апрацоўкі вадкіх сцёкаў, чым у іншых хімічных працэсах. Усё большае значэнне набывае спальванне адходаў у зачыненых сістэмах, якія выкарыстоўваюць чысты O _2.

Так званы ракетны акісляльнік з'яўляецца вадкім кіслародам. Чысты Аб ₂ спользуется на падводных лодках і ў вадалазных званах.

У хімічнай прамысловасці кісларод замяніў звычайнае паветра пры вытворчасці такіх рэчываў, як ацэтылен, вокіс этылену і метанол. Медыцынскія прымянення ўключаюць выкарыстанне газу ў кіслародных камерах, інгалятар і дзіцячых інкубатарах. Узбагачаны кіслародам газападобны анестэтык забяспечвае падтрымку жыцця падчас агульнай анестэзіі. Без гэтага хімічнага элемента не змог бы існаваць шэраг галін прамысловасці, якія выкарыстоўваюць плавільныя печы. Вось што такое кісларод.

Хімічныя ўласцівасці і рэакцыі

Вялікія значэння Электраадмо і электроннага сродства кіслароду з'яўляюцца тыповымі для элементаў, якія праяўляюць неметалічныя ўласцівасці. Усё злучэнні кіслароду валодаюць адмоўным станам акіслення. Калі дзве арбіталь запаўняюцца электронамі, утворыцца іён O ^2-. У перакісу (O ₂ ^2-) мяркуецца, што кожны атам валодае зарадам -1. Гэта ўласцівасць прымаць электроны шляхам поўнай або частковай перадачы і вызначае акісляецца агент. Калі такі агент рэагуе з рэчывам-донарам электронаў, яго ўласнае стан акіслення паніжаецца. Змена (зніжэнне) стану акіслення кіслароду ад нуля да -2 называецца аднаўленнем.

У нармальных умовах элемент ўтварае двухатомные і трехатомные злучэння. Акрамя таго, існуюць вельмі нестабільныя четырехатомных малекулы. У двухатомные форме два неспаренных электрона размешчаны на несвязывающих арбіталей. Гэта пацвярджаецца парамагнітнага паводзінамі газу.

Інтэнсіўная рэакцыйная здольнасць азону часам тлумачыцца здагадкай, што адзін з трох атамаў знаходзіцца ў «атамарным» стане. Уступаючы ў рэакцыю, гэты атам дысацыюе з Аб _3, пакідаючы малекулярны кісларод.

Малекула Аб ₂ пры нармальных тэмпературах і цісках навакольнага асяроддзя слаба рэактыўнымі. Атамарным ж кісларод значна больш актыўны. Энергія дысацыяцыі (O ₂ → 2O) значная і складае 117,2 ккал на моль.

злучэння

З такімі неметаламі, як вадарод, вуглярод і сера, кісларод ўтварае вялікі дыяпазон кавалентна звязаных злучэнняў, сярод якіх аксіды неметаллов, такія як вада (H ₂ O), дыяксід серы (SO ₂₎ і вуглякіслы газ (CO _2); арганічныя злучэнні, такія як спірты, альдэгіды і карбонавыя кіслоты; агульныя кіслаты, такія як вугальная (Н ₂ СА _3), серная (H ₂ SO ₄₎ і азотная (HNO _3); і адпаведныя солі, такія як сульфат натрыю (Na ₂ SO _4), карбанат натрыю (Na ₂ CO ₃₎ і нітрат натрыю (NaNO _3). Кісларод прысутнічае ў выглядзе іёна O ^2- ў крышталічнай структуры цвёрдых аксідаў металаў, такіх як злучэнне (аксід) кіслароду і кальцыя САО. Металічныя супероксиды (КО ₂₎ ўтрымліваюць іён O ₂ ^-, у той час як металічныя пераксіду (BaO _2), ўтрымліваюць іён O ₂ ^2-. Злучэння кіслароду ў асноўным маюць ступень акіслення -2.

асноўныя ўласцівасці

Напрыканцы пералічыў асноўныя ўласцівасці кіслароду:

• Канфігурацыя электронаў: 1s ² 2s ² 2p ^4.
• Атамны нумар: 8.
• Атамная маса: 15,9994.
• Кропка кіпення: -183,0 ° C.
• Тэмпература плаўленьня: -218,4 ° C.
• Шчыльнасць (калі ціск кіслароду роўна 1 атм пры 0 ° C): 1,429 г / л.
• Стану акіслення: -1, -2, + 2 (у злучэннях з фторам).