Страница - 13

§25.КИСЛОРОД. РАСПРОСТРАНЕНИЕ КИСЛОРОДА В ПРИРОДЕ. ПОЛУЧЕНИЕ

Вспомните: кислород - элемент (О), кислород - простое вещество (О2), воздух

В виде простого вещества кислород входит в состав воздуха, что впервые установил в 1770 г. шведский химик К. Шееле. Объемное содержание кислорода в воздухе 21%. Эта величина (округлена до 20%) часто используется при решении задач. В земной коре в составе химических соединений содержится около 49% кислорода. Это видно из формул следующих природных соединений: Н₂O — вода, SiO₂ — песок, А1₂O₃ • 2SiO₂ • nН₂O — глина, СаСO₃ — мрамор и т. д. Кислород входит также в состав важнейших органических соединений живых организмов: белков, липидов, углеводов и др.

В Периодической таблице Д. И. Менделеева кислород находится на 8-м месте, химический знак — O (охуgеnium). Относительная атомная масса — 16. Кислород в соединениях проявляет валентность II.

Строение атома кислорода: +8) 2 ) 6, 1s²2s²2p⁴, р-элемент.

В воздухе содержится, кроме кислорода, азот - 78%; примерно 1% состав­ляют инертные газы (гелий, неон, аргон и др.), что было установлено учеными в конце XIX века. Это постоянные компоненты воздуха. Есть и переменные компоненты - загрязняющие газы, состав которых зависит от местных условий (≈ 1%). К ним относятся углекислый газ и водяные пары. Таким образом, воздух является смесью газов.

М (O₂) = 32 г/моль; М (N₂) = 28 г/моль.

М (возд.) = 32 • 0,21 + 28 • 0,78 = 28,56 = 29 г/моль.

Массовая доля кислорода в воздухе — 23%. Запас кислорода в воздухе 1,5•10¹⁵ т, из них 1•10¹⁰ т расходуется на горение.

Количество кислорода в воздухе все время уменьшается под влиянием различных техногенных факторов, которые зависят от хозяйственной ориентации каждого конкретного региона. В то же время содержание кислорода в воздухе пополняется за счет процесса фотосинтеза, который идет непрерывно, поэтому состав воздуха остается примерно постоянным (рис. 28).

Экологическая обстановка в нашей республике, в первую очередь в промышленных городах, ухудшается из года в год (Усть-Каменогорск,

Павлодар, Тараз, Шымкент, Караганда, Текели и т. д.). Усиливает этот процесс и увеличение количества автомобилей.

До некоторого предела переменные компоненты воздуха не влияют на окружающую среду. Это количество называется предельно допустимой концентрацией (ПДК). Если содержание вредных примесей превышает ПДК, появляется опасность отравления и т. п. Организм человека чувствует снижение концентрации кислорода более чем на 1%.

Ученые всего мира упорно работают над созданием новейших экологически чистых технологий, ведь воздух определяет саму возможность жизни на Земле.

Вам уже знакомы реакции окисления — процессы взаимодействия простых и сложных веществ с кислородом.

Как химический элемент кислород образует два простых вещества: О₂ — кислород и О₃ — озон.

Из курса биологии вы уже знаете, что в процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, которым мы дышим. Растения являются «легкими» планеты. Поэтому не случайно в народе говорят: «Каждый должен вырастить хотя бы одно дерево». В последние годы в Казахстане по программе «Жасыл ел» ежегодно высаживают несколько со­тен тысяч саженцев. Например, Астана окружена несколькими «зелеными поясами». Их площадь достигла 78 тыс. гектаров. Эти меры способствуют улучшению состава воздуха.

1. Физические свойства.

Кислород О₂ — бесцветный газ, без вкуса и запаха, температура кипения - 183°С, плотность 1,43 г/л, тяжелее воздуха. Малорастворим в воде: в 1 л воды при нормальных условиях растворяется 0,04 г кислорода (табл. 9).

Таблица 9. Сравнительная характеристика физических свойств водорода и кислорода

ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА

Промышленный способ получения кислорода заключается в сжижении воздуха при низких температурах и его перегонке. Вначале из жидкого воздуха отгоняют газообразный азот (его температура кипения ниже, чем у кислорода). В жидком состоянии остается почти чистый кислород. Его хранят в баллонах голубого цвета, так как жидкий кислород имеет светло­голубой цвет (рис. 29).

Лабораторные способы получения кислорода основаны на реакциях разложения некоторых богатых кислородом веществ.

1. Разложение перманганата калия.

В сухую пробирку насыпаем немного вещества и, закрыв пробирку пробкой с газоотводной трубкой, осторожно нагреваем. При этом протекает химическая реакция:

Тлеющей лучинкой проверяем наполненность пробирки кислородом. Если ее поднести к отверстию трубки, она вспыхнет.

3. Каталитическое разложение хлората калия.

Для ускорения этой реакции добавляем к хлорату немного оксида марганца (IV) и нагреваем. Вещества, ускоряющие реакцию и при этом не расходующиеся, называются катализаторами.

Выделившийся кислород можно собрать двумя способами:

1. вытеснением воздуха, так как кислород тяжелее (рис. 31, а):
2. вытеснением воды, т. к. он плохо растворяется в воде (рис. 31, б).

М_r (О₂) = 32     М_r (возд.) = 29.

В 1774 г. английский ученый Д. Пристли получил кислород разложением оксида ртути (II):

Для хранения газов в лабораториях используют газометр (рис. 32). Газометр состоит из сосуда и большой воронки, конец которой немного не доходит до дна сосуда. Воронка, снабженная краном, вставляется в сосуд на шлифе, обеспечивающем герметичность прибора. Перед наполнением газометра газом воздух из него вытесняют водой. Для этого открывают краны 1 и 2. Через воронку 3 вливают воду и доверху заполняют ею газометр. Затем закрывают оба крана,

вынимают пробку из тубуса 4 и вводят в газометр конец газоотводной трубки от прибора для получения газа. Газ поступает в газометр, вытесняя из него воду, которая выливается в стеклянную ванну или раковину. После наполнения газометра газом закрывают нижнее отверстие 4 пробкой и наливают воду в воронку 3. Для выпуска газа из газометра открывают кран 1 и слегка — кран 2. При этом вода из воронки поступает в сосуд и вытесняет из него газ, который выходит через газоотводную трубку и может быть направлен в сосуд-приемник.

В газометре можно хранить газы, малорастворимые в воде и не взаимодействующие с ней. Взрывоопасные газы нельзя хранить в газометре.

1. Рассчитайте массовую долю кислорода в следующих соединениях: Н₂О, КМnО₄, КСlО₃, Н₂О₂, НgО.
2. Расставьте коэффициенты в приведенных уравнениях реакций и укажите, к какому типу относится каждая из них: Н₂О → Н2↑ + О₂↑ Мg + О₂ → МgО Н₂О₂ → Н₂О + О₂
3. Определите валентность элементов в оксидах: РbО₂, SnО, В₂О₃, SiO₂, Li₂О, Сl₂О₇, СrО₃.
4. Какие вещества называются катализаторами?

В

1. Определите массовую долю кислорода в следующих веществах: Аl₂О₃, Сr₂О₃, Fе₂О₃, В₂О₃.
2. Какое из этих соединений богаче кислородом?

3. В какой массе оксида фосфора (Р₂О₅) содержится 9,3 г фосфора?

Ответ: 21,3 г.

4. Рассчитайте массы соединений, содержащих 0,5 моль кислорода: Аl₂О₃, Н₂SiO₃, NаОН, Nа₂SO₄.
5. Составьте эссе на тему «Применение кислорода» по рис. 29.

С

1. Сколько граммов хлората калия (КС1О₃) необходимо для получения 0,672 л кислорода (н.у.)?

Ответ: 2,45 г.

2. Вычислите массу воды, образовавшейся при взаимодействии 40 г СuО с водородом.

Ответ: 9 г.

3. Определите формулы веществ, если массовые отношения элементов в них таковы:

т (Р) : т (О) = 31 : 40

т (Nа) : т (С) : т (О) = 23 : 6 : 24

т (Н) : т (N) : т (О) = 1 : 14 : 48

4. Какой объем кислорода (н.у.) образуется при разложении перманганата ка­лия массой 4,74 г?

Ответ: 0,336 л.

 5. Сравните свойства кислорода и водорода, используя таблицу 9.

Демонстрация №4

Разложение пероксида водорода

Опыт проводит учитель, учащиеся наблюдают, делают выводы.

Цель: Уметь получать кислород и собирать двумя способами.

Реактивы	Оборудование
Н2О2 — пероксид водорода (3%-ный раствор), МnО2 — оксид марганца (IV)	Штатив, пробирки, цилиндр, кристаллиза­тор, лучинка, стеклянная пластинка, спички, пробка, спиртовка, термостойкий стакан.

1. Закрепите вертикально в зажиме штатива термостойкую пробирку.
2. В пробирку наберите немного раствора перок­сида водорода и всыпьте в пробирку заранее приготов­ленного порошка диоксида марганца.
3. Опустите в пробирку тлеющую лучинку. За­тем пробирку закройте пробкой с газоотводной труб­кой. Опыт можно провести в термостойком стакане (рис. 33).

Собирание выделяющегося газа

Цилиндр, предназначенный для собирания газа, предварительно заполните водой, закройте стеклян­ной пластинкой и пробкой, опустите вниз отверстием в кристаллизатор, в который налита вода и откройте отверстие цилиндра (рис. 30).

Проверьте наполненность сосудов кислородом.

Вопросы и задания.

1. По каким признакам вы судите о прохождении реакции?
2. На каких свойствах кислорода основаны способы его собирания?

3. Какую роль играет диоксид марганца?
4. Напишите уравнение реакции.

§26. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА

Химические свойства. При нагревании кислород взаимодействует со многими веществами.

Этот процесс называется горением и сопровождается выделением тепла и света.

Взаимодействие с простыми веществами. Если бросить кусочек тлеющего угля в пробирку с кислородом, то он раскаляется и сгорает (рис. 34, а).

Фосфор горит очень интенсивно (рис. 35). За считанные секунды колба наполняется белым дымом, на стенках колбы оседает оксид фосфора (V).

Некоторые металлы также взаимодействуют с кислородом с образованием оксидов. Держа щипцами зажженную ленту магния, поместим ее в сосуд с кислородом. Магний горит светящимся пламенем. (Нельзя долго смотреть на горящий магний, это вредно для глаз.)

Раскаленный уголек поместим на кончике железной проволоки, прикрепленной к лучинке, и опустим в пробирку с кислородом. При этом загорятся и лучинка, и уголь, и даже железо (рис. 36):

Горение железа сопровождается треском и «фейерверком» искр - расплавленных капель железной окалины.

При взаимодействии простых веществ - металлов и неметаллов - с кислородом образуются оксиды.

Оксидами называются сложные вещества, состоящие из атомов двух элементов, один из которых кислород. Химические реакции между кислородом и другими веществами называются реакциями окисления.

Названия оксидов образуются с помощью слова «оксид» и соответствующего названия элемента с указанием в скобках переменной валентности. Например, SО₂ — оксид серы (IV), SО₃ - оксид серы (VI). По международной номенклатуре в названии оксида греческими числительными указывается количество атомов элементов. Например, CO - монооксид углерода, СО₂ - диоксид углерода, МnО₂ - диоксид марганца, Мп2О7 - гептаоксид димарганца.

Взаимодействие со сложными веществами. Некоторые сложные вещества также взаимодействуют с кислородом с образованием оксидов. Например, при горении пропана, который входит в состав природного газа, протекает следующая реакция:

В металлургии в обжиговых печах протекают реакции окисления обогащенных руд:

Реакции взаимодействия простых и сложных веществ с кислородом называются реакциями окисления.

Таблица 10. Сравнительная характеристика химических свойств кислорода и водорода

А

1. Назовите признаки реакции горения.
2. Можно ли «переливать» кислород из одного сосуда в другой?
3. Объясните принцип работы газометра.
4. На каких свойствах кислорода основаны способы его собирания?

В

1. Дайте названия по международной номенклатуре следующих оксидов: SnО, SnO₂, SO₂, SO₃, СrО, Сr_2O3, РbО, РЬО₂.
2. Во сколько раз молекула озона тяжелее кислорода и водорода?
3. Вычислите массовую долю кислорода в составе песка (SiO₂).
4. Сравните химические свойства кислорода и водорода, используя таблицу 10.

С

Закончите уравнения реакций и расставьте коэффициенты:

Как называются реакции с участием кислорода? Чем является кислород: окислителем или восстановителем?

2. Определите массу и количество вещества кислорода, который выделится при разложении 24,5 г хлората калия КСlО₃.

Ответ: 9,6 г; 0,3 моль.

Одинаковы ли будут массы кислорода, образовавшегося при разложении 5 моль следующих веществ: КСlО₃, КМnО₄, Н₂О₂, НgО? Ответ подтвердите расчетами.