Глава II. Важнейшие представители неорганических веществ. Количественные отношения в химии. § 13. Кислород — с. 67
§ 13. Проверьте свои знания.
1. Назовите аллотропные модификации кислорода и сравните их свойства.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Для кислорода известны две аллотропные модификации: кислород O₂ (двухатомные молекулы) и озон O₃ (трёхатомные молекулы). Они различаются строением молекул, а потому физическими и химическими свойствами (см. таблицу). Озон — более сильный окислитель, чем кислород: он окисляет даже серебро и обесцвечивает красители, а при нагревании и со временем разлагается: 2O₃ → 3O₂. Кислород необходим для дыхания, озон в больших концентрациях ядовит.
§ 13. Проверьте свои знания.
2. Какое значение в природе имеет озон и где он применяется?
Озон образует в стратосфере (на высоте около 20–25 км) озоновый слой. Он поглощает большую часть жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно для живых организмов: вызывает ожоги, рак кожи, повреждает клетки растений и планктона. Поэтому озоновый слой защищает жизнь на Земле. Благодаря сильным окислительным свойствам озон применяют для обеззараживания питьевой воды и воздуха (вместо хлора), для отбеливания тканей, бумаги и масел, в медицине как дезинфицирующее средство и для очистки сточных вод. В приземном слое воздуха озон вреден: он ядовит и входит в состав фотохимического смога.
§ 13. Проверьте свои знания.
3. Запишите уравнения реакций получения кислорода в лаборатории. Каким образом можно: а) собрать кислород в сосуд; б) доказать наличие кислорода в сосуде?
Уравнения реакций получения кислорода в лаборатории:
1) разложение перманганата калия: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ (при нагревании, t);
2) разложение пероксида водорода: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑ (катализатор MnO₂);
3) разложение бертолетовой соли: 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂↑ (t, катализатор MnO₂);
4) разложение оксида ртути(II): 2HgO → 2Hg + O₂↑ (t).
Баланс атомов в 1): K 2=2, Mn 2=2, O 8=4+2+2.
а) Кислород собирают двумя способами: вытеснением воздуха (кислород тяжелее воздуха: M(O₂) = 32 г/моль, M(возд.) ≈ 29 г/моль, поэтому сосуд ставят вертикально дном вниз, а газоотводную трубку опускают до дна сосуда) и вытеснением воды (кислород малорастворим в воде).
б) Наличие кислорода доказывают тлеющей лучинкой: если опустить её в сосуд с кислородом, она ярко вспыхивает.
1) разложение перманганата калия: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ (при нагревании, t);
2) разложение пероксида водорода: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑ (катализатор MnO₂);
3) разложение бертолетовой соли: 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂↑ (t, катализатор MnO₂);
4) разложение оксида ртути(II): 2HgO → 2Hg + O₂↑ (t).
Баланс атомов в 1): K 2=2, Mn 2=2, O 8=4+2+2.
а) Кислород собирают двумя способами: вытеснением воздуха (кислород тяжелее воздуха: M(O₂) = 32 г/моль, M(возд.) ≈ 29 г/моль, поэтому сосуд ставят вертикально дном вниз, а газоотводную трубку опускают до дна сосуда) и вытеснением воды (кислород малорастворим в воде).
б) Наличие кислорода доказывают тлеющей лучинкой: если опустить её в сосуд с кислородом, она ярко вспыхивает.
§ 13. Проверьте свои знания.
4. Как кислород получают в промышленности?
В промышленности кислород получают из воздуха. Воздух очищают от пыли, углекислого газа и паров воды, сжимают и охлаждают примерно до −196 °C, при этом он становится жидким. Затем жидкий воздух медленно нагревают (фракционная перегонка). Азот кипит при −196 °C и испаряется первым, а кислород, имеющий температуру кипения −183 °C, остаётся в жидком виде и испаряется позже. Его хранят и перевозят в стальных баллонах голубого цвета под давлением около 150 атм. Кроме того, кислород образуется при электролизе воды: 2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑ (электрический ток).
§ 13. Проверьте свои знания.
5. Назовите области применения кислорода.
Кислород применяют в металлургии (интенсификация выплавки чугуна и стали), в химической промышленности (окисление сырья), для газовой сварки и резки металлов (кислородно-ацетиленовое пламя), в качестве окислителя топлива космических кораблей и ракет. Он необходим для жизнеобеспечения на подводных лодках, орбитальных станциях и самолётах на больших высотах. В медицине кислород дают для обеспечения дыхания больному (кислородные подушки, палатки, подача через маску). Жидкий кислород используют как компонент ракетного топлива и во взрывчатых смесях.
§ 13. Примените свои знания.
6. Запишите уравнения реакций, схемы которых:
а) SO₂ + … → SO₃
б) ZnS + … → ZnO + SO₂
в) NaNO₃ → NaNO₂ + …
г) C₂H₂ + O₂ → … + …
а) SO₂ + … → SO₃
б) ZnS + … → ZnO + SO₂
в) NaNO₃ → NaNO₂ + …
г) C₂H₂ + O₂ → … + …
а) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (катализатор V₂O₅, t). Баланс: S 2=2, O 4+2=6.
б) 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂ (обжиг, t). Баланс: Zn 2=2, S 2=2, O 6=2+4.
в) 2NaNO₃ → 2NaNO₂ + O₂↑ (t). Баланс: Na 2=2, N 2=2, O 6=4+2.
г) 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O (горение ацетилена). Баланс: C 4=4, H 4=4, O 10=8+2.
б) 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂ (обжиг, t). Баланс: Zn 2=2, S 2=2, O 6=2+4.
в) 2NaNO₃ → 2NaNO₂ + O₂↑ (t). Баланс: Na 2=2, N 2=2, O 6=4+2.
г) 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O (горение ацетилена). Баланс: C 4=4, H 4=4, O 10=8+2.
§ 13. Примените свои знания.
7. Исторически одним из самых первых способов получения кислорода была реакция разложения оксида ртути(II). Запишите уравнение этой реакции. К какому типу реакций по тепловому эффекту она относится?
Уравнение реакции: 2HgO → 2Hg + O₂↑ (при нагревании, t).
Баланс: Hg 2=2, O 2=2. По числу и составу веществ это реакция разложения. По тепловому эффекту она относится к эндотермическим реакциям: разложение идёт при постоянном нагревании, то есть с поглощением теплоты. Образуются ртуть (серебристые капли оседают на стенках пробирки) и кислород (тлеющая лучинка в нём вспыхивает).
Баланс: Hg 2=2, O 2=2. По числу и составу веществ это реакция разложения. По тепловому эффекту она относится к эндотермическим реакциям: разложение идёт при постоянном нагревании, то есть с поглощением теплоты. Образуются ртуть (серебристые капли оседают на стенках пробирки) и кислород (тлеющая лучинка в нём вспыхивает).
§ 13. Используйте дополнительную информацию.
8. Подготовьте сообщение по одной из тем: а) «Происхождение и изменение состава земной атмосферы»; б) «Из истории открытия кислорода»; в) «Значение кислорода».
а) Первичная атмосфера Земли образовалась при вулканической деятельности и состояла в основном из водяного пара, углекислого газа, азота, метана и аммиака; свободного кислорода в ней почти не было. Около 2,5–3 млрд лет назад появились цианобактерии, а затем растения, которые в процессе фотосинтеза стали выделять кислород: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (на свету). Сначала кислород расходовался на окисление железа и других веществ в океане и горных породах, и лишь потом стал накапливаться в воздухе. Под действием ультрафиолета часть O₂ превратилась в озон, возник озоновый слой, и жизнь смогла выйти на сушу. В современной атмосфере 78 % азота, 21 % кислорода, около 1 % аргона и 0,04 % углекислого газа. Сегодня на состав воздуха влияет деятельность человека: сжигание топлива, вырубка лесов.
б) Кислород получили независимо друг от друга шведский химик К. Шееле (около 1772 г., назвал «огненным воздухом») и английский химик Дж. Пристли (1774 г., нагревая оксид ртути(II)). Пристли заметил, что в новом газе свеча горит ярче. Французский учёный А. Лавуазье (1775–1777 гг.) правильно объяснил горение как соединение веществ с этим газом, показал, что он входит в состав воздуха и необходим для дыхания, и назвал его oxygenium — «рождающий кислоты». Так была опровергнута теория флогистона.
в) Кислород необходим для дыхания всех аэробных организмов: он окисляет питательные вещества в клетках, давая организму энергию. Он поддерживает горение, участвует в гниении, ржавлении и других процессах окисления. Кислород входит в состав воды, оксидов, кислот, оснований, солей и органических веществ: в земной коре его около 49 % по массе, а в организме человека около 65 %. Озон O₃ защищает живое от жёсткого ультрафиолета. Кислород применяют в металлургии, при сварке и резке металлов, в медицине, в космической технике.
б) Кислород получили независимо друг от друга шведский химик К. Шееле (около 1772 г., назвал «огненным воздухом») и английский химик Дж. Пристли (1774 г., нагревая оксид ртути(II)). Пристли заметил, что в новом газе свеча горит ярче. Французский учёный А. Лавуазье (1775–1777 гг.) правильно объяснил горение как соединение веществ с этим газом, показал, что он входит в состав воздуха и необходим для дыхания, и назвал его oxygenium — «рождающий кислоты». Так была опровергнута теория флогистона.
в) Кислород необходим для дыхания всех аэробных организмов: он окисляет питательные вещества в клетках, давая организму энергию. Он поддерживает горение, участвует в гниении, ржавлении и других процессах окисления. Кислород входит в состав воды, оксидов, кислот, оснований, солей и органических веществ: в земной коре его около 49 % по массе, а в организме человека около 65 %. Озон O₃ защищает живое от жёсткого ультрафиолета. Кислород применяют в металлургии, при сварке и резке металлов, в медицине, в космической технике.
§ 13. Используйте дополнительную информацию.
9. Присутствие кислорода в атмосфере Земли делает её пригодной для жизни. Однако известно и негативное влияние кислорода. Приведите примеры отрицательных явлений, связанных с наличием кислорода в воздухе. Предложите методы борьбы с этими явлениями.
Отрицательные явления, связанные с кислородом воздуха:
1) Коррозия металлов (ржавление железа): 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃. Борьба: окраска, лакирование, цинкование, хромирование, смазка, использование нержавеющих сплавов.
2) Пожары: горение веществ идёт в кислороде воздуха. Борьба: соблюдение правил пожарной безопасности, прекращение доступа воздуха к очагу (песок, одеяло, пена, углекислотные огнетушители).
3) Порча продуктов питания: окисление жиров (прогоркание масла), гниение, плесень. Борьба: герметичная и вакуумная упаковка, холодильник, консервирование, добавление антиокислителей.
4) Окисление и разрушение красок, резины, пластмасс, старение материалов. Борьба: добавки-стабилизаторы, защитные покрытия.
5) Самовозгорание угля, торфа, промасленной ветоши и взрывы смесей газов с воздухом. Борьба: вентиляция, контроль температуры, хранение в закрытых ёмкостях.
6) Окислительные процессы в организме (свободные радикалы) ускоряют старение клеток. Борьба: питание, содержащее антиоксиданты (витамины C, E).
1) Коррозия металлов (ржавление железа): 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃. Борьба: окраска, лакирование, цинкование, хромирование, смазка, использование нержавеющих сплавов.
2) Пожары: горение веществ идёт в кислороде воздуха. Борьба: соблюдение правил пожарной безопасности, прекращение доступа воздуха к очагу (песок, одеяло, пена, углекислотные огнетушители).
3) Порча продуктов питания: окисление жиров (прогоркание масла), гниение, плесень. Борьба: герметичная и вакуумная упаковка, холодильник, консервирование, добавление антиокислителей.
4) Окисление и разрушение красок, резины, пластмасс, старение материалов. Борьба: добавки-стабилизаторы, защитные покрытия.
5) Самовозгорание угля, торфа, промасленной ветоши и взрывы смесей газов с воздухом. Борьба: вентиляция, контроль температуры, хранение в закрытых ёмкостях.
6) Окислительные процессы в организме (свободные радикалы) ускоряют старение клеток. Борьба: питание, содержащее антиоксиданты (витамины C, E).