Какие свойства имеет кислород

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Наш урок посвящен химическому элементу, который занимает особое место в жизни человека и всего живого. Речь пойдет о кислороде. Вы познакомитесь с общей характеристикой химического элемента – кислорода по его положению в ПСХЭ, рассмотрим нахождение кислорода в природе, изучим способы получения кислорода и его физические свойства.

Также данный урок посвящен изучению истории открытия одного из самых известных неорганических веществ – кислорода. Из материалов урока вы узнаете, кому принадлежит приоритет открытия кислорода и кто дал название этом веществу.

Эпиграф урока

“Кислород — это вещество, вокруг которого вращается земная химия”.

Я. Берцелиус.

I. Познавательный фильм: “Кислород”

II. Общая характеристика кислорода как химического элемента по положению его в ПСХЭ

Кислород — элемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным порядковым номером 8.

Обозначается символом O  (лат. Oxygenium).

Относительная атомная масса химического элемента кислорода равна 16, т.е. Ar(O)=16.

Относительная молекулярная масса равна 32, т.е. Мr(O2)=32.

III. Валентность кислорода, физические свойства

В соединениях кислород обычно двухвалентен (в оксидах), валентность VI не существует. В свободном виде встречается в виде двух простых веществ: О2 («обычный» кислород) и О3 (озон). О2 — газ без цвета и запаха, с относительной молекулярной массой =32. О3 – газ без цвета с резким запахом, с относительной молекулярной массой =48.

Тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния сжи­жен­но­го кис­ло­ро­да -183 С, тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния твер­до­го кис­ло­ро­да -219 С. Ин­те­рес­но, что кис­ло­род при­тя­ги­ва­ет­ся маг­ни­том.

Кис­ло­род под­дер­жи­ва­ет ды­ха­ние и го­ре­ние. При­чем, если вне­сти в сосуд с кис­ло­ро­дом тле­ю­щую лу­чин­ку, то она вспых­нет ярким пла­ме­нем.

IV. Кислород в природе

Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 49% массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,5% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 21% по объёму и 23% по массе. Более 1500 соединений земной коры в своем составе содержат кислород.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 20 %, по массовой доле — около 65 %.

V. Открытие и получение кислорода

От­кры­тие кис­ло­ро­да при­хо­дит­ся на XVIII век. До этого вре­ме­ни счи­та­лось, что любой газ – это раз­но­вид­ность воз­ду­ха. На­ча­лом изу­че­ния газов по­слу­жи­ло, ка­за­лось бы, незна­чи­тель­ное изоб­ре­те­ние. Ан­глий­ский уче­ный Гейлс пред­ло­жил при­бор для сбора газов. За­пол­нен­ную водой колбу он опу­стил гор­лом вниз в сосуд с водой, в горло колбы по­ме­стил изо­гну­тый ру­жей­ный ствол, по ко­то­ро­му в колбу, вы­тес­няя воду, по­сту­па­ли газы. Вот с этого при­бо­ра все и на­ча­лось…

При­о­ри­тет от­кры­тия кис­ло­ро­да при­над­ле­жит ан­гли­ча­ни­ну Джо­зе­фу Прист­ли.В 1774 г. он об­на­ру­жил, что при раз­ло­же­нии ок­си­да ртути об­ра­зу­ет­ся га­зо­об­раз­ное ве­ще­ство, в ат­мо­сфе­ре ко­то­ро­го тле­ю­щая лу­чи­на вспы­хи­ва­ет ярким пла­ме­нем, а ды­шать этим газом осо­бен­но легко. Это был кис­ло­род. Урав­не­ние ре­ак­ции раз­ло­же­ния ок­си­да ртути:

2HgO = 2Hg + O2

Прист­ли по­де­лил­ся своим от­кры­ти­ем с А.Ла­ву­а­зье, и тот дал газу на­зва­ние «кис­ло­род».

Ин­те­рес­но, что еще до работ Дж. Прист­ли в 1771 г. опыты по раз­ло­же­нию ок­си­да ртути про­де­лал швед­ский химик Карл Шееле. Но ре­зуль­та­ты его ис­сле­до­ва­ний были опуб­ли­ко­ва­ны толь­ко в 1775 г., по­это­му Прист­ли о них ни­че­го не знал.

Есть еще один ин­те­рес­ный ис­то­ри­че­ский факт. Ока­зы­ва­ет­ся гол­ланд­ский химик Кор­не­ли­ус Дреб­бел при­мер­но за 150 лет до Прист­ли и Шееле по­лу­чил кис­ло­род при на­гре­ва­нии нит­ра­та калия:

2KNO3 = 2KNO2 + O2

Он опи­сал свой­ства по­лу­чен­но­го га­зо­об­раз­но­го ве­ще­ства: тле­ю­щий уго­лек в нем вспы­хи­вал, в ат­мо­сфе­ре этого газа легко ды­ша­лось. Свое от­кры­тие уче­ный даже ис­поль­зо­вал на изоб­ре­тен­ном им под­вод­ном судне. Од­на­ко в то время уче­ные не ин­те­ре­со­ва­лись га­за­ми, и от­кры­тие Дреб­бе­ла даже не за­ме­ти­ли.

VI. Получение кислорода

Промышленный способ получения кислорода

В про­мыш­лен­ных целях кис­ло­род необ­хо­ди­мо по­лу­чать в боль­ших объ­ё­мах и мак­си­маль­но де­шё­вым спо­со­бом. Такой спо­соб по­лу­че­ния кис­ло­ро­да был пред­ло­жен ла­у­ре­а­том Но­бе­лев­ской пре­мии Пет­ром Лео­ни­до­ви­чем Ка­пи­цей. Он изоб­рёл уста­нов­ку для сжи­же­ния воз­ду­ха. Как из­вест­но, в воз­ду­хе на­хо­дит­ся около 21% по объ­е­му кис­ло­ро­да. Кис­ло­род можно вы­де­лить из жид­ко­го воз­ду­ха ме­то­дом пе­ре­гон­ки, т.к. все ве­ще­ства, вхо­дя­щие в со­став воз­ду­ха имеют раз­ные тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния. Тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния кис­ло­ро­да —  -183°С, а азота — -196°С. Зна­чит, при пе­ре­гон­ке сжи­жен­но­го воз­ду­ха пер­вым за­ки­пит и ис­па­рит­ся азот, а затем – кис­ло­род.

Лабораторные способы получения кислорода

В ла­бо­ра­то­рии кис­ло­род тре­бу­ет­ся не в таких боль­ших ко­ли­че­ствах, как в про­мыш­лен­но­сти. Обыч­но его при­во­зят в го­лу­бых сталь­ных бал­ло­нах, в ко­то­рых он на­хо­дит­ся под дав­ле­ни­ем. В неко­то­рых слу­ча­ях всё же тре­бу­ет­ся по­лу­чить кис­ло­род хи­ми­че­ским путём. Для этого ис­поль­зу­ют ре­ак­ции раз­ло­же­ния.

1. Разложение пероксида водорода

При ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре пе­рок­сид во­до­ро­да раз­ла­га­ет­ся мед­лен­но (при­зна­ков про­те­ка­ния ре­ак­ции мы не видим), но этот про­цесс можно уско­рить, если до­ба­вить в рас­твор несколь­ко кру­пи­нок ок­си­да мар­ган­ца(IV). Во­круг кру­пи­нок чер­но­го ок­си­да сразу на­чи­на­ют вы­де­лять­ся пу­зырь­ки газа. Это кис­ло­род. Как бы долго ни про­те­ка­ла ре­ак­ция, кру­пин­ки ок­си­да мар­ган­ца(IV) в рас­тво­ре не рас­тво­ря­ют­ся. То есть, оксид мар­ган­ца(IV) участ­ву­ет в ре­ак­ции, ее уско­ря­ет, но сам в ней не рас­хо­ду­ет­ся.

Ве­ще­ства, ко­то­рые уско­ря­ют ре­ак­цию, но не рас­хо­ду­ют­ся в ре­ак­ции, на­зы­ва­ют ка­та­ли­за­то­ра­ми.

Ре­ак­ции, уско­ря­е­мые ка­та­ли­за­то­ра­ми, на­зы­ва­ют ка­та­ли­ти­че­ски­ми.

Уско­ре­ние ре­ак­ции ка­та­ли­за­то­ром на­зы­ва­ют ка­та­ли­зом.

Таким об­ра­зом, оксид мар­ган­ца (IV) в ре­ак­ции раз­ло­же­ния пе­рок­си­да во­до­ро­да слу­жит ка­та­ли­за­то­ром. В урав­не­нии ре­ак­ции фор­му­ла ка­та­ли­за­то­ра за­пи­сы­ва­ет­ся свер­ху над зна­ком ра­вен­ства. За­пи­шем урав­не­ние про­ве­ден­ной ре­ак­ции. При раз­ло­же­нии пе­рок­си­да во­до­ро­да вы­де­ля­ет­ся кис­ло­род и об­ра­зу­ет­ся вода. Вы­де­ле­ние кис­ло­ро­да из рас­тво­ра по­ка­зы­ва­ют стрел­кой, на­прав­лен­ной вверх:

2. Разложение перманганата калия

В по­все­днев­ной жизни вы на­вер­ня­ка стал­ки­ва­лись с ве­ще­ством, ко­то­рое в быту на­зы­ва­ет­ся «мар­ган­цов­кой». Хи­ми­че­ское на­зва­ние этого ве­ще­ства — пер­ман­га­нат калия, его хи­ми­че­ская фор­му­ла KMnO4.

При на­гре­ва­нии пер­ман­га­нат калия раз­ла­га­ет­ся с об­ра­зо­ва­ни­ем кис­ло­ро­да.

В про­бир­ку на­сы­па­ют кри­стал­ли­че­ский пер­ман­га­нат калия. При на­гре­ва­нии пер­ман­га­нат калия раз­ла­га­ет­ся, вы­де­ля­ю­щий­ся кис­ло­род по­сту­па­ет по га­зо­от­вод­ной труб­ке в кол­бу-при­ем­ник. Кис­ло­род тя­же­лее воз­ду­ха, по­это­му не по­ки­да­ет колбу и по­сте­пен­но за­пол­ня­ет ее. Если опу­стить тле­ю­щую лу­чи­ну в колбу с со­бран­ным кис­ло­ро­дом, то она ярко вспых­нет.

Урав­не­ние про­ве­ден­ной ре­ак­ции:

2 KMnO4 = K2MnO4 + MnO2  + O2 ↑

3. Разложение бертолетовой соли

Для получения кислорода к бертолетовой соли всегда примеши­вают оксид марганца МпО2 или другое вещество, каталитически ускоряющее процесс разложения. Если нагревать более или менее значительные количества чистой соли, то на поверхности расплава может образоваться корка тугоплавкого хлорида калия, под кото­рой скопляется кислород, в результате чего происходит взрыв. В присутствии оксида марганца MnO2 бертолетова соль начинает разлагаться раньше, чем она расплавится (около 200 ºС). 

2KClO3 t˚C , MnO2=2KCl + 3O2↑

Это интересно

Кислород мало растворим в воде и тяжелее воздуха, поэтому его можно получать двумя способами:

•  вытеснением воды:

• вытеснением воздуха (кислород будет собираться на дне сосуда)

ЦОРы

Познавательный фильм: “Кислород”

Видео: “Разложение пероксида водорода”

Видео: “Разложение перманганата калия” 

Домашнее задание

1. Параграф 22
2. Стр. 75 упр. 4-6 (письменно)