Реферат: Кислород

Министерство образования и науки РФ

РЕФЕРАТ

ПО ТЕМЕ

«КИСЛОРОД»

Выполнил:

Проверил:

-2007-

Общая характеристика кислорода.

КИСЛОРОД (лат. Oxygenium), O(читается «о»), химический элемент с атомным номером 8, атомная масса 15,9994.В периодической системе элементов Менделеева кислород расположен во второмпериоде в группе VIA.

Природный кислород состоит из смеситрех стабильных нуклидов с массовыми числами 16 (доминирует в смеси, его в ней99,759 % по массе), 17 (0,037%) и 18 (0,204%). Радиус нейтрального атомакислорода 0,066 нм. Конфигурация внешнего электронного слоя нейтральногоневозбужденного атома кислорода 2s2р4. Энергии последовательной ионизации атомакислорода 13,61819 и 35,118 эВ, сродство к электрону 1,467 эВ. Радиус иона О2–при разных координационных числах от 0,121 нм (координационное число 2) до0,128 нм (координационное число 8). В соединениях проявляет степень окисления–2 (валентность II) и, реже, –1 (валентность I). По шкале Полингаэлектроотрицательность кислорода 3,5 (второе место среди неметаллов послефтора).

В свободном виде кислород — газ безцвета, запаха и вкуса.

Особенности строения молекулы О2:атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул. Межатомное расстояние вмолекуле О2 0,12074 нм. Молекулярный кислород (газообразный ижидкий) — парамагнитное вещество, в каждой молекуле О2 имеется по 2неспаренных электрона. Этот факт можно объяснить тем, что в молекуле на каждойиз двух разрыхляющих орбиталей находится по одному неспаренному электрону.

Энергия диссоциации молекулы О2на атомы довольно высока и составляет 493,57 кДж/моль.

Физические и химические свойства

Физические и химические свойства: всвободном виде встречается в виде двух модификаций О2 («обычный»кислород) и О3 (озон). О2 — газ без цвета и запаха. Принормальных условиях плотность газа кислорода 1,42897 кг/м3.Температура кипения жидкого кислорода (жидкость имеет голубой цвет) равна–182,9°C. При температурах от –218,7°C до –229,4°C существует твердый кислородс кубической решеткой (-модификация), при температурах от –229,4°C до –249,3°C— -модификация с гексагональной решеткой и при температурах ниже –249,3°C —кубическая -модификация. При повышенном давлении и низких температурах полученыи другие модификации твердого кислорода.

При 20°C растворимость газа О2:3,1 мл на 100 мл воды, 22 мл на 100 мл этанола, 23,1 мл на 100 мл ацетона.Существуют органические фторсодержащие жидкости (например,перфторбутилтетрагидрофуран), в которых растворимость кислорода значительноболее высокая.

Высокая прочность химической связимежду атомами в молекуле О2 приводит к тому, что при комнатной температурегазообразный кислород химически довольно малоактивен. В природе он медленновступает в превращения при процессах гниения. Кроме того, кислород прикомнатной температуре способен реагировать с гемоглобином крови (точнее сжелезом II гема), что обеспечивает перенос кислорода от органов дыхания кдругим органам.

Со многими веществами кислородвступает во взаимодействие без нагревания, например, со щелочными ищелочноземельными металлами (образуются соответствующие оксиды типа Li2O,CaO и др., пероксиды типа Na2O2, BaO2 и др. и супероксидытипа КО2, RbO2 и др.), вызывает образование ржавчины наповерхности стальных изделий. Без нагревания кислород реагирует с белымфосфором, с некоторыми альдегидами и другими органическими веществами.

При нагревании, даже небольшом,химическая активность кислорода резко возрастает. При поджигании он реагирует свзрывом с водородом, метаном, другими горючими газами, с большим числом простыхи сложных веществ. Известно, что при нагревании в атмосфере кислорода или навоздухе многие простые и сложные вещества сгорают, причем образуются различныеоксиды, например:

S+O2 = SO2;С + O2 = СО2

4Fe + 3O2 =2Fe2O3; 2Cu + O2 = 2CuO

4NH3 + 3O2= 2N2 + 6H2O; 2H2S + 3O2 = 2H2O+ 2SO2

Если смесь кислорода и водородахранить в стеклянном сосуде при комнатной температуре, то экзотермическая реакцияобразования воды

2Н2 + О2 = 2Н2О+ 571 кДж

протекает крайне медленно; порасчету, первые капельки воды должны появиться в сосуде примерно через миллионлет. Но при внесении в сосуд со смесью этих газов платины или палладия(играющих роль катализатора), а также при поджигании реакция протекает свзрывом.

С азотом N2 кислородреагирует или при высокой температуре (около 1500-2000°C), или при пропусканиичерез смесь азота и кислорода электрического разряда. При этих условияхобратимо образуется оксид азота (II):

N2 + O2 = 2NO

Возникший NO затем реагирует скислородом с образованием бурого газа (диоксида азота):

2NO + О2 = 2NO2

Из неметаллов кислород напрямую нипри каких условиях не взаимодействует с галогенами, из металлов — сблагородными металлами серебром, золотом, платиной и др.

Бинарные соединения кислорода, вкоторых степень окисления атомов кислорода равна –2, называют оксидами (прежнееназвание — окислы). Примеры оксидов: оксид углерода (IV) CO2, оксидсеры (VI) SO3, оксид меди (I) Cu2O, оксид алюминия Al2O3,оксид марганца (VII) Mn2O7.

Кислород образует также соединения,в которых его степень окисления равна –1. Это — пероксиды (старое название —перекиси), например, пероксид водорода Н2О2, пероксидбария ВаО2, пероксид натрия Na2O2 и другие. Вэтих соединениях содержится пероксидная группировка — О — О —. С активнымищелочными металлами, например, с калием, кислород может образовывать такжесупероксиды, например, КО2 (супероксид калия), RbO2(супероксид рубидия). В супероксидах степень окисления кислорода –1/2. Можноотметить, что часто формулы супероксидов записывают как К2О4,Rb2O4 и т.д.

С самым активным неметаллом фторомкислород образует соединения в положительных степенях окисления. Так, всоединении O2F2 степень окисления кислорода +1, а всоединении O2F — +2. Эти соединения принадлежат не к оксидам, а кфторидам. Фториды кислорода можно синтезировать только косвенным путем,например, действуя фтором F2 на разбавленные водные растворы КОН.

История открытия

История открытия кислорода, как иазота, связана с продолжавшимся несколько веков изучением атмосферного воздуха.О том, что воздух по своей природе не однороден, а включает части, одна изкоторых поддерживает горение и дыхание, а другая — нет, знали еще в 8 векекитайский алхимик Мао Хоа, а позднее в Европе — Леонардо да Винчи. В 1665английский естествоиспытатель Р. Гук писал, что воздух состоит из газа,содержащегося в селитре, а также из неактивного газа, составляющего большуючасть воздуха. О том, что воздух содержит элемент, поддерживающий жизнь, в 18веке было известно многим химикам. Шведский аптекарь и химик Карл Шееле начализучать состав воздуха в 1768. В течение трех лет он разлагал нагреваниемселитры (KNO3, NaNO3) и другие вещества и получал«огненный воздух», поддерживающий дыхание и горение. Но результаты своих опытовШееле обнародовал только в 1777 году в книге «Химический трактат о воздухе иогне». В 1774 английский священник и натуралист Дж. Пристли нагреванием «жженойртути» (оксида ртути HgO) получил газ, поддерживающий горение. Будучи в Париже,Пристли, не знавший, что полученный им газ входит в состав воздуха, сообщил освоем открытии А. Лавуазье и другим ученым. К этому времени был открыт и азот.В 1775 Лавуазье пришел к выводу, что обычный воздух состоит из двух газов —газа, необходимого для дыхания и поддерживающего горение, и газа«противоположного характера» — азота. Лавуазье назвал поддерживающий горениегаз oxygene — «образующий кислоты» (от греч. oxys — кислый и gennao — рождаю;отсюда и русское название «кислород»), так как он тогда считал, что все кислотысодержат кислород. Давно уже известно, что кислоты бывают каккислородсодержащими, так и бескислородными, но название, данное элементуЛавуазье, осталось неизменным. На протяжении почти полутора веков 1/16 частьмассы атома кислорода служила единицей сравнения масс различных атомов междусобой и использовалась при численной характеристике масс атомов различныхэлементов (так называемая кислородная шкала атомных масс).

Нахождение в природе: кислород —самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различныхсоединений, главным образом силикатов), приходится около 47,4% массы твердойземной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанногокислорода — 88,8% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислородасоставляет 20,95 % (по объему). Элемент кислород входит в состав более 1500соединений земной коры.

Получение:

В настоящее время кислород впромышленности получают за счет разделения воздуха при низких температурах.Сначала воздух сжимают компрессором, при этом воздух разогревается. Сжатомугазу дают охладиться до комнатной температуры, а затем обеспечивают егосвободное расширение. При расширении температура газа резко понижается.Охлажденный воздух, температура которого на несколько десятков градусов нижетемпературы окружающей среды, вновь подвергают сжатию до 10-15 МПа. Затем сноваотбирают выделившуюся теплоту. Через несколько циклов «сжатие—расширение»температура падает ниже температуры кипения и кислорода, и азота. Образуетсяжидкий воздух, который затем подвергают перегонке (дистилляции). Температуракипения кислорода (–182,9°C) более чем на 10 градусов выше, чем температуракипения азота (–195,8°C). Поэтому из жидкости азот испаряется первым, а востатке накапливается кислород. За счет медленной (фракционной) дистилляцииудается получить чистый кислород, в котором содержание примеси азота составляетменее 0,1 объемного процента.

Еще более чистый кислород можнополучить при электролизе водных растворов щелочей (NaOH или KOH) или солейкислородсодержащих кислот (обычно используют раствор сульфата натрия Na2SO4). Влаборатории небольшие количества не очень чистого кислорода можно получить принагревании перманганата калия KMnO4:

2KMnO4 = K2MnO4+ MnO2 + O2.

Более чистый кислород получаютразложением пероксида водорода Н2О2 в присутствиикаталитических количеств твердого диоксида марганца MnO2:

2Н2О2 = 2Н2О + О2.

Кислород образуется при сильном(выше 600°C) прокаливании нитрата натрия NaNO3:

2NaNO3 =2NaNO2+ О2,

при нагревании некоторых высшихоксидов:

4CrO3 = 2Cr2O3+ 3О2;

2PbO2 = 2PbO + О2;

3MnO2 = Mn3O4+ О2.

Ранее кислород получали разложениембертолетовой соли KClO3 в присутствии каталитических количествдиоксида марганца MnO2:

2KClO3 = 2KCl + 3О2.

Однако бертолетова соль образуетвзрывчатые смеси, поэтому ее для получения кислорода в лабораториях теперь неиспользуют. Разумеется, сейчас никому в голову не придет использовать дляполучения кислорода прокаливание оксида ртути HgO, так как образующийся в этойреакции кислород загрязнен ядовитыми парами ртути.

Источником кислорода в космическихкораблях, подводных лодках и т. п. замкнутых помещениях служит смесь пероксиданатрия Na2O2 и супероксида калия KO2. Привзаимодействии этих соединений с углекислым газом освобождается кислород:

2Na2O2 + 2CO2= 2Na2CO3 + O2,

4КО2 + 2СО2 =2К2СО3 + 3О2.

Если использовать смесь Na2O2и КО2, взятых в молярном отношении 1:1, то на каждый мольпоглощенного из воздуха углекислого газа будет выделяться 1 моль кислорода, такчто состав воздуха не будет изменяться за счет поглощения при дыхании кислородаи выделения СО2.

Применение:

Применение кислорода оченьразнообразно. Основные количества получаемого из воздуха кислорода используютсяв металлургии. Кислородное (а не воздушное) дутье в домнах позволяетсущественно повышать скорость доменного процесса, экономить кокс и получатьчугун лучшего качества. Кислородное дутье применяют в кислородных конвертерахпри переделе чугуна в сталь. Чистый кислород или воздух, обогащенныйкислородом, используется при получении и многих других металлов (меди, никеля,свинца и др.). Кислород используют при резке и сварке металлов. При этомприменяют «баллонный» кислород. В баллоне кислород может находиться поддавлением до 15 МПа. Баллоны с кислородом окрашены в голубой цвет.

Жидкий кислород — мощный окислитель,его используют как компонент ракетного топлива. Пропитанные жидким кислородомтакие легко окисляющиеся материалы, как древесные опилки, вата, угольныйпорошок и др. (эти смеси называют оксиликвитами), используют как взрывчатыевещества, применяемые, например, при прокладке дорог в горах.

Биологическая роль:

Кислород в атмосфере Земли началнакапливаться в результате деятельности первичных фотосинтезирующих организмов,появившихся, вероятно, около 2,8 млрд. лет назад. Полагают, что 2 млрд. летназад атмосфера уже содержала около 1% кислорода; постепенно извосстановительной она превращалась в окислительную и примерно 400 млн. летназад приобрела современный состав. Наличие в атмосфере кислорода взначительной степени определило характер биологической эволюции. Аэробный (сучастием О2) обмен веществ возник позже анаэробного (без участия О2),но именно реакции биологического окисления, более эффективные, чем древниеэнергетические процессы брожения и гликолиза, снабжают живые организмы большейчастью необходимой им энергии. Исключение составляют облигатные анаэробы,например, некоторые паразиты, для которых кислород является ядом. Использованиекислорода, обладающего высоким окислительно-восстановительным потенциалом, вкачестве конечного акцептора электронов в цепи дыхательных ферментов, привело квозникновению биохимического механизма дыхания современного типа. Этот механизми обеспечивает энергией аэробные организмы.

Кислород — основной биогенныйэлемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающихструктуру и функции клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, атакже множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животномкислорода гораздо больше, чем любого другого элемента (в среднем около 70%).Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань — 28.5%; всего ворганизме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организмживотных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания(свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма вкислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависитот массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условийи др. В экологии как важную энергетическую характеристику определяют отношениесуммарного дыхания (то есть суммарных окислительных процессов) сообществаорганизмов к его суммарной биомассе.

Небольшие количества кислородаиспользуют в медицине: кислородом (из так называемых кислородных подушек) даютнекоторое время дышать больным, у которых затруднено дыхание. Нужно, однако,иметь в виду, что длительное вдыхание воздуха, обогащенного кислородом, опаснодля здоровья человека. Высокие концентрации кислорода вызывают в тканяхобразование свободных радикалов, нарушающих структуру и функции биополимеров.Сходным действием на организм обладают и ионизирующие излучения. Поэтомупонижение содержания кислорода (гипоксия) в тканях и клетках при облученииорганизма ионизирующей радиацией обладает защитным действием — так называемыйкислородный эффект. Этот эффект используют в лучевой терапии: повышаясодержание кислорода в опухоли и понижая его содержание в окружающих тканяхусиливают лучевое поражение опухолевых клеток и уменьшают повреждение здоровых.При некоторых заболеваниях применяют насыщение организма кислородом подповышенным давлением — гипербарическую оксигенацию.