§16. Кислород. Озон.

Подробное решение §16 для учащихся 9 класса, Учебник по химии, авторы: Н.Е. Кузнецова, И.М. Титова, издательский центр «Вентана-Граф».

? Что вы знаете о распространении кислорода в природе, каков основной источник его поступления в атмосферу?

Кислород распространён в природе и участвует в круговороте этого элемента.

Распространение

• В атмосфере кислород находится в свободном (не связанном) состоянии: здесь его 21% по объёму или 23% по массе.
• В земной коре кислород — самый распространённый элемент: в составе минералов, в виде соединений с другими элементами он составляет 47% от массы земной коры.
• В гидросфере (морях и океанах) кислород содержит 86–89% по массе с учётом растворённых в воде солей.
• Кислород входит в состав важнейших классов природных органических соединений (белков, жиров, нуклеиновых кислот, углеводов и др.) и в состав неорганических соединений скелета.

Поступление в атмосферу

Основной источник поступления кислорода в атмосферу — процесс фотосинтеза. В этом процессе организмы производят сахара и свободный кислород из углекислого газа и воды. 

Как происходит фотосинтез: растения и другие фотосинтезирующие организмы поглощают углекислый газ (CO₂) из воздуха и воду (H₂O) из почвы. Под действием солнечного света в хлоропластах растений происходит химическая реакция, в результате которой образуются глюкоза (питание для растения) и кислород (O₂). Кислород выделяется в атмосферу как побочный продукт.

Около 50–70% кислорода на Земле производится фитопланктоном в океанах. 

Круговорот

Круговорот кислорода — биогеохимический цикл, в ходе которого происходит перенос кислорода между тремя основными резервуарами: атмосферой (воздух), органическим веществом биосферы (глобальная сумма всех экосистем) и земной корой. 

Некоторые этапы круговорота:

• Выделение кислорода растениями во время фотосинтеза.
• Потребление кислорода живыми организмами — через дыхательную систему они поглощают кислород из атмосферы и используют его в клетках для окисления питательных веществ. В результате этого процесса образуется углекислый газ, который выводится обратно в атмосферу.
• Высвобождение кислорода из земной коры — например, при геологической активности (извержении вулканов) или разрушении минералов и пород под действием атмосферных условий (ветра, дождя).

Опишите физические и химические свойства кислорода.

Физические свойства

• При комнатной температуре кислород — газ без цвета, запаха и вкуса.
• Примерно в 1,1 раза тяжелее воздуха. 
• При температуре –183 °С кислород сжижается и превращается в голубую жидкость, а при –218 °С становится твёрдым. 
• Кислород плохо растворяется в воде: при 20 °С в 1 объёме воды растворяется примерно 3,1 объёма кислорода. Растворимость зависит от температуры: с повышением температуры растворимость уменьшается. 
• Газообразный кислород немного тяжелее воздуха. 
• Жидкий кислород при низких температурах имеет светло-голубой цвет, а твёрдый — кристаллы светло-синего цвета. 
• Кислород — парамагнетик: в жидком состоянии притягивается магнитом. 

Химические свойства

• При обычных условиях кислород — малоактивный газ, который вступает в реакции только с наиболее активными веществами. При повышении температуры активность кислорода резко возрастает. Он энергично реагирует с большинством простых и многими сложными веществами.
• Почти все реакции с кислородом идут с выделением тепла, поэтому нагревание требуется лишь для начала процесса. Большинство реакций с участием кислорода сопровождается также выделением света — такие реакции называют реакциями горения.
• Некоторые примеры химических свойств кислорода:
  • Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами: при нагревании неметаллы (кроме инертных газов и галогенов) сгорают в кислороде с образованием оксидов. Например, сера сгорает в кислороде ярким синим пламенем, при этом образуется сернистый газ.
  • Взаимодействие с простыми веществами-металлами: активные металлы реагируют с кислородом при комнатной температуре, при нагревании — менее активные металлы. Многие металлы сгорают в кислороде, например, раскалённое железо в чистом кислороде начинает ярко светиться и разбрасывать яркие искры.
  • Взаимодействие со сложными веществами: в кислороде горят многие сложные органические и неорганические вещества, при этом, как правило, образуются оксиды элементов, входящих в состав этих веществ.
• Особенно сильным окислителем является жидкий кислород: пропитанная им вата при поджигании мгновенно сгорает.

Как получают кислород в лаборатории, где он находит применение?

Кислород в лаборатории получают разложением некоторых кислородсодержащих веществ, а его применение связано с различными сферами. 

Получение

Некоторые способы получения кислорода в лаборатории:

• Разложение перманганата калия при нагревании. Перманганат калия помещают в пробирку с газоотводной трубкой, нагревают, выделяющийся кислород собирают в сосуд. 
• Разложение хлората калия или бертолетовой соли. Хлорат калия нагревают примерно до 200°С, используют MnO₂ в качестве катализатора. При нагревании хлорат калия разлагается на хлорид калия и кислород. 
• Разложение пероксида водорода. В раствор пероксида водорода добавляют катализатор MnO₂, пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой, выделяющийся кислород собирают в отдельную ёмкость. 
• Электролиз воды. В результате электролиза кислород выделяется на аноде, а водород — на катоде. 

Кислород собирают методом вытеснения воздуха, держа пробирку донышком вниз, или методом вытеснения воды.

Применение

Некоторые области применения кислорода:

• Металлургия. Кислород используют для удаления примесей (углерода, кремния, марганца и фосфора) при выплавке стали. Также кислород применяют для сварки, резки и пайки металлов.
• Химическая промышленность. Кислород необходим для производства синтетических химикатов (этиленоксид, метанол) и в процессах окисления, необходимых для производства кислот (азотная, серная).
• Нефтепереработка. Кислород применяют для окисления углеводородов и получения ценных продуктов, а также для очистки нефти и газа от вредных примесей.
• Стеклянная промышленность. Окисление материалов с использованием кислорода повышает качество продукции, повышает температуру плавления стекла.
• Пищевая промышленность. Обогащение воды кислородом улучшает вкус и увеличивает срок хранения напитков.
• Медицина. Кислород используют для лечения респираторных заболеваний, анестезии и реанимации.
• Авиация. Компенсирует уменьшение количества кислорода на высоте для поддержания жизни экипажа и пассажиров.
• Очистка сточных вод. Осуществляется аэрация воды, способствующая разложению органических веществ и снижению содержания загрязняющих веществ.

Задание. Опишите горение известных вам простых веществ в кислороде, укажите условия возникновения и протекания реакций, запишите уравнения этих реакций.

Горение простых веществ в кислороде

1. Горение металлов

• Магний
  При внесении в атмосферу кислорода раскаленного магния происходит интенсивное горение с ослепительно белым пламенем.
  Уравнение реакции:
  2Mg + O₂ = 2MgO
• Алюминий
  Порошок алюминия при поджигании в кислороде сгорает ярким пламенем.
  Уравнение реакции: 4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

2. Горение неметаллов

• Сера
  При внесении горящей серы в кислород возникает голубое пламя.
  Уравнение реакции: S + O₂ = SO₂
• Фосфор
  Белый фосфор самовоспламеняется в кислороде с образованием белого дыма.
  Уравнение реакции: 4P+5O₂ = 2P₂O₅​

3. Горение водорода

Водород горит в кислороде с образованием воды. При этом выделяется большое количество теплоты.
Уравнение реакции: 2H₂+O₂ = 2H₂O

Общие условия протекания реакций:

• Наличие кислорода (окислителя)
• Достижение температуры воспламенения вещества
• Постоянный приток кислорода для поддержания горения
• В некоторых случаях требуется первоначальная активация (нагрев, искра)

Особенности реакций:

• Все реакции экзотермические (протекают с выделением тепла)
• Скорость горения в чистом кислороде значительно выше, чем на воздухе
• Продукты реакций — оксиды соответствующих элементов

Задание. В 8 классе вы изучили кислород, его свойства, получение и применение. Вспомните и опишите реакции, с помощью которых можно получить кислород в лаборатории.

В лаборатории кислород можно получить несколькими способами. Рассмотрим основные методы:

1. Разложение перманганата калия (KMnO₄):
   • Реакция протекает при нагревании:
     2KMnO₄ (t°)→ K₂MnO₄ + O₂↑ +MnO₂ ​
   • Это наиболее распространённый метод в школьной лаборатории.
2. Разложение пероксида водорода (H₂O₂​):
   • Реакция каталитическая, катализатором служит оксид марганца (IV):
     2H₂O₂ (MnO₂) → 2H₂O + O₂↑
   • Метод быстрый и безопасный.
3. Электролиз воды:
   • Разложение воды под действием электрического тока:
     2H₂O (электролиз)→2H₂↑ + O₂↑
   • Современный метод, позволяющий получить чистый кислород.
4. Разложение бертолетовой соли (KClO₃​):
5. Реакция также протекает в присутствии катализатора:
   2KClO₃ (MnO₂,t°) → 2KCl + 3O₂↑
6. Метод даёт большой выход кислорода.

Вопросы и задания

1. Чем отличается элемент кислород от других элементов VIA-группы?

Ответ:

Элемент кислород отличается от других элементов VIA-группы тем, что он имеет минимальное количество электронных оболочек, соответственно атом кислород обладает наименьшим радиусом среди атомов элементов VIA-группы

2. Чем обусловлена высокая окислительная способность кислорода?

Ответ:

Высокая окислительная способность кислорода обусловлена тем, что на внешнем уровне он содержит 6 электронов, имеет всего 2 электронные оболочки, соответственно его атомы обладают малым радиусом, поэтому является одним из самых электроотрицательных элементов, более электроотрицательный только фтор.

3. Почему озон лучше кислорода растворяется в воде? Объясните причину.

Ответ:

Молекула кислорода является неполярной молекулой. Молекула озона имеет угловое строение, поэтому атомы кислорода, которые находятся на концах молекулы, оттягиваю электронную плотность от центрального атома кислорода. Таким образом молекула озона является полярной молекулой, поэтому растворимость озона O₃ в воде выше, чем у кислорода O₂.

4. Составьте схему строения и укажите свойства пероксида водорода.

Ответ:

Схема строения пероксида водорода: H–O–O–H

Пероксид водорода самопроизвольно разлагается: 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑

Пероксид водорода обладает как окислительными, так восстановительными свойствами, так кислород имеет промежуточную степень окисления -1.

5. Охарактеризуйте горение красного фосфора в кислороде, запишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите массовую долю кислорода в составе продукта этой реакции.

Ответ:

Красный фосфор в кислороде горит ярким пламенем, при этом фосфор окисляется до своей максимальной степени окисления +5:

4P(к) + 5O₂(г) = 2P₂O₅(к) + Q

Дано: P₂O₅

Найти: ω(O)=?

Решение:

ω(O) = 100⋅5⋅Ar(O)/Mr(P₂O₅) = 100⋅5⋅16/142 = 56.34%

Ответ: ω(O) = 56.34%

6. В кислороде, полученном при нагревании 20 г перманганата калия, сожгли 1,2 г угля. Какова массовая доля (в %) перманганата калия, который подвергся разложению?

Ответ:

Дано:

m(KMnO₄) = 20 г

m(C)=1,2 г

Найти: ω_разл.(KMnO₄)=?

Решение: 2KMnO₄ (t°) = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

 C + O₂ = CO₂

n(C) = m(C)/M(C) = 1,212 = 0,1 моль

n(O₂) = n(C) = 0,1 моль

n_разл.(KMnO₄) = 2⋅n(O₂) = 2⋅0,1 = 0.2 моль

m_разл.(KMnO₄) = n_разл.(KMnO₄) ⋅ M(KMnO₄) = 0,2⋅158 = 31,6 г

ω_разл.(KMnO₄) = 100⋅m_разл.(KMnO₄)/m(KMnO₄)

Ответ: в условии задачи ошибка, разложилось 31,6 г перманганата калия, а дано 20 г.