Химия
9 класс

       

§ 25. Кислород

Кислород является родоначальником главной подгруппы VI группы (VIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева.

Элементы этой подгруппы — кислород О, сера S, селен Se, теллур Те, полоний Ро — имеют общее название «халькогены», что означает «рождающие руды». (Вспомните, с какими рудами, содержащими кислород и серу, вы уже познакомились.)

Рис. 108.
Получение кислорода в лаборатории разложением пероксида водорода и собирание его методом вытеснения воды

С некоторыми аспектами химии кислорода вы уже частично знакомы. Получение кислорода из пероксида водорода (рис. 108) и перманганата калия (рис. 109) вы разбирали в прошлом году (вспомните эти реакции).

Рис. 109.
Получение кислорода в лаборатории разложением перманганата калия и собирание его методом вытеснения воздуха

Вы теперь хорошо знакомы и с аллотропией кислорода, вам известно такое важное простое вещество, как озон. (Сравните ещё раз свойства кислорода O2 и озона O3, вспомните биологическое значение озона.)

Кислород — самый распространённый элемент на нашей планете. Он входит в состав воды (88,9%), которая покрывает 2/3 поверхности земного шара, образуя его водную оболочку — гидросферу. Кислород — вторая по количеству и первая по значению для жизни составная часть воздушной оболочки Земли — атмосферы, где на его долю приходится 20,95% по объёму и 23,15% по массе. Кислород входит в состав многочисленных минералов твёрдой оболочки земной коры — литосферы: из каждых 100 атомов земной коры на долю кислорода приходится 58 атомов.

Как вы уже знаете, кислород существует в форме O2. Это газ без цвета, запаха. В жидком состоянии имеет светло-голубую окраску, в твёрдом — синюю. В воде газообразный кислород растворим лучше, чем азот и водород.

Кислород взаимодействует почти со всеми простыми веществами, кроме галогенов, благородных газов, золота и платиновых металлов. Например, энергично реагирует с металлами: щелочными, образуя оксид с литием Li2O и другие продукты, например пероксиды М2O2; с железом, образуя железную окалину Fe3O4; с алюминием (запишите соответствующие уравнения реакций, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы).

Реакции металлов и неметаллов с кислородом протекают очень часто с выделением большого количества теплоты и сопровождаются воспламенением — реакции горения. (Запишите уравнения реакций горения серы с образованием SO2, фосфора — с образованием Р2O5 и угля — с образованием СO2.)

Почти все реакции с участием кислорода экзотермические. Исключение составляет взаимодействие азота с кислородом: это эндотермическая реакция, которая протекает при температуре выше 2000 °С или при электрическом разряде:

Кислород энергично окисляет не только простые, но и многие сложные вещества, при этом образуются оксиды элементов, из которых они построены:

Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива.

Кислород участвует и в процессах дыхания (рис. 110), медленного окисления различных веществ при обычной температуре. Эти процессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи в нашем организме является источником энергии, за счёт которой живёт организм. Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре. Окисленный гемоглобин — оксигемоглобин — доставляет во все ткани и клетки организма кислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя при этом оксид углерода (IV) (углекислый газ) и воду и освобождая энергию, необходимую для деятельности организма.

Рис. 110.
Газообмен в лёгких и тканях

Исключительно важна роль кислорода в процессе дыхания человека и животных. Растения также поглощают атмосферный кислород. Но если в темноте идёт только процесс поглощения растениями кислорода, то на свету протекает ещё один противоположный ему процесс — фотосинтез (рис. 111), в результате которого растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород.

Рис. 111.
Фотосинтез

Так как процесс фотосинтеза идёт более интенсивно, то в итоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают его при дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняется благодаря жизнедеятельности зелёных растений, хотя изначально атмосфера нашей планеты была другой. Рисунок 112 показывает историю возникновения современной атмосферы Земли.

Рис. 112.
Образование современной атмосферы

Круговорот кислорода в природе иллюстрирует рисунок 113.

Рис. 113.
Круговорот кислорода в природе

Повторим ещё раз, что в промышленности кислород получают из жидкого воздуха, а в лаборатории — разложением пероксида водорода Н2O2 в присутствии катализатора — оксида марганца (IV) МnO2, а также разложением перманганата калия КМnO4 при нагревании.

Лабораторный опыт № 27
Получение и распознавание кислорода

Повторите опыт получения кислорода, который вы проделывали в начале года. В две колбы объёмом 50 мл налейте по 5—10 мл раствора пероксида водорода. В первую колбу добавьте на кончике шпателя оксид марганца (IV), во вторую — свеженатёртую морковь или картофель. Что наблюдаете? Как вы докажете наличие кислорода в сосудах? Почему кислород какое-то время не улетучивается из колб? Какую роль играет в этой реакции оксид марганца (IV)? Как называется фермент, содержащийся в овощном соке?

Кислород применяют в металлургической и химической промышленности для ускорения (интенсификации) производственных процессов. Так, замена воздушного дутья кислородным в доменном и сталеплавильном производстве намного ускоряет выплавку металла. Чистый кислород применяют также для получения высоких температур, например при газовой сварке и резке металлов. Его используют для жизнеобеспечения на подводных и космических кораблях, при работах водолазов, пожарных.

В медицине кислород применяют в случаях временного затруднения дыхания, связанного с некоторыми заболеваниями.

Кислород хранят в стальных баллонах, окрашенных в голубой цвет (рис. 114, а), под давлением 150 атм. В лабораторных условиях кислород хранят в стеклянном приборе — газометре (рис. 114, б).

Рис. 114.
Хранение кислорода:
а — стальной баллон; б — газометр

Основные области применения кислорода представлены на рисунке 115.

Рис. 115.
Применение кислорода:
1 — в металлургии; 2 — как окислитель ракетного топлива; 3 — в авиации для дыхания; 4 — в медицине для дыхания; 5 — при взрывных работах; 6 — для газовой резки и сварки металлов

Открытие кислорода. Кислород открыли и впервые получили почти одновременно два выдающихся химика XVIII в. — швед К. Шееле путём нагревания селитры и англичанин Дж. Пристли при нагревании оксида ртути (II). Название oxygenium, т. е. «рождающий кислоты», или «кислород», этому элементу дал великий французский химик А. Лавуазье.

Новые слова и понятия

  1. Кислород в природе.
  2. Химические свойства кислорода: взаимодействие с простыми веществами (металлами и неметаллами), сложными веществами.
  3. Горение и медленное окисление.
  4. Дыхание и фотосинтез.
  5. Получение кислорода.
  6. Применение кислорода.

Задания для самостоятельной работы

  1. Напишите уравнения реакций кислорода с металлами, о которых говорится в параграфе. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.
  2. Напишите уравнения реакций кислорода с неметаллами, о которых говорится в параграфе. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.
  3. Какие вещества называются катализаторами? Какая реакция, применяемая для получения кислорода, осуществляется в присутствии оксида марганца (IV)? Напишите уравнение этой реакции.
  4. Английский химик Дж. Пристли получил кислород разложением оксида ртути (II). Напишите уравнение этой реакции. Придумайте и решите задачу, в условии которой были бы указаны масса исходного вещества и доля в нём примесей, а требовалось бы найти объём кислорода при известном выходе его от теоретически возможного.
  5. Укажите признаки сходства и различия в процессах дыхания и горения.
  6. Сравните процессы дыхания и фотосинтеза.
  7. Используя свои знания по химии кислорода, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или процесса».
  8. Напишите уравнение реакции фтора с водой. В какой роли здесь выступает кислород? Рассмотрите окислительновосстановительный процесс, определите окислитель и восстановитель.

Рейтинг@Mail.ru