На каких свойствах кислорода основано его применение
Четыре элемента-«халькогена» (т.е. «рождающих медь») возглавляют главную подгруппу VI группы (по новой классификации – 16-ю группу) периодической системы. Кроме серы, теллура и селена к ним также относится кислород. Давайте подробно разберем свойства этого наиболее распространенного на Земле элемента, а также применение и получение кислорода.
Распространенность элемента
Содержание кислорода в земной коре составляет практически 50%. Он находится в различных минералах в виде оксидов и солей.
В связанном виде кислород входит в химический состав воды – его процентное соотношение составляет порядка 89%, а также в состав клеток всех живых существ – растений и животных.
В воздухе кислород находится в свободном состоянии в виде О2, занимая пятую часть его состава, и в виде озона – О3.
Физические свойства
Кислород О2 представляет собой газ, который не обладает цветом, вкусом и запахом. В воде растворяется слабо. Температура кипения – 183 градуса ниже нуля по Цельсию. В жидком виде кислород имеет голубой цвет, а в твердом виде образует синие кристаллы. Температура плавления кислородных кристаллов составляет 218,7 градуса ниже нуля по Цельсию.
Химические свойства
При нагревании этот элемент реагирует со многими простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, образуя при этом так называемые оксиды – соединения элементов с кислородом. Химическая реакция, в которую элементы вступают с кислородом, называется окислением.
Например,
4Na + О2= 2Na2O
S + О2 = SO2
Некоторые из сложных веществ также вступают в реакцию с кислородом, тоже образуя при этом оксиды:
СН4 + 2О2= СО2 + 2Н2О
2СО + О2 = 2СО2
Если какое-либо вещество медленно реагирует с кислородом, то такое окисление называется медленным. Например, это процессы разложения пищевых продуктов, гниение.
Получение кислорода
Этот химический элемент можно получить как в лаборатории, так и на промышленном предприятии.
Получение кислорода в лаборатории проводится несколькими способами:
1. С помощью реакции разложения бертолетовой соли (хлората калия).
2. Через разложение перекиси водорода при нагревании ее в присутствии оксида марганца, выступающего в роли катализатора.
3. Через разложение перманганата калия.
Получение кислорода в промышленности проводится такими способами:
1. Для технических целей кислород получают из воздуха, в котором обычное его содержание составляет порядка 20%, т.е. пятую часть. Для этого воздух сначала сжигают, получая смесь с содержанием жидкого кислорода около 54%, жидкого азота – 44% и жидкого аргона – 2%. Затем эти газы разделяют с помощью процесса перегонки, используя сравнительно небольшой интервал между температурами кипения жидкого кислорода и жидкого азота – минус 183 и минус 198,5 градуса соответственно. Получается, что азот испаряется раньше, чем кислород.
Современная аппаратура обеспечивает получение кислорода любой степени чистоты. Азот, который получается при разделении жидкого воздуха, используется в качестве сырья при синтезе его производных.
2. Электролиз воды также дает кислород очень чистой степени. Этот способ получил распространение в странах с богатыми ресурсами и дешевой электроэнергией.
Применение кислорода
Кислород является основным по значению элементом в жизнедеятельности всей нашей планеты. Этот газ, который содержится в атмосфере, расходуется в процессе дыхания растениями, животными и людьми.
Получение кислорода очень важно для таких сфер деятельности человека, как медицина, сварка и резка металлов, взрывные работы, авиация (для дыхания людей и для работы двигателей), металлургия.
В процессе хозяйственной деятельности человека кислород расходуется в больших количествах – например, при сжигании различных видов топлива: природного газа, метана, угля, древесины. Во всех этих процессах образуется оксид углерода. При этом природа предусмотрела процесс естественного связывания данного соединения с помощью фотосинтеза, который проходит в зеленых растениях под действием солнечного света. В результате этого процесса образуется глюкоза, которую растение потом расходует для строительства своих тканей.
Кислород – химический элемент VI группы периодической системы Менделеева и самый распространенный элемент в земной коре (47% от ее массы). Кислород является жизненно важным элементом почти всех живых организмов. Более подробно о функциях и применении кислорода в этой статье.
Общие сведения
Кислород представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, который плохо растворяется в воде. Он входит в состав воды, минералов, горных пород. Свободный кислород образуется благодаря процессам фотосинтеза. Кислород играет наиважнейшую роль в жизни человека. Прежде всего кислород необходим для дыхания живых организмов. Также он принимает участие в процессах разложения погибших животных и растений.
Воздух содержит около 20,95% по объему кислорода. В гидросфере содержится почти 86% по массе кислорода.
Кислород был получен одновременно двумя учеными, но сделали они это независимо друг от друга. Швед К. Шееле получил кислород при прокаливании селитры и других веществ, а англичанин Дж. Пристли – при нагревании оксида ртути.
Рис. 1. Получение кислорода из оксида ртути
Применение кислорода в промышленности
Области применения кислорода обширны.
В металлургии он необходим для производства стали, которую получают из металлолома и чугуна. Во многих металлургических агрегатах для лучшего сжигания топлива используют воздух, обогащенный кислородом.
В авиации кислород используется как окислитель топлива в ракетных двигателях. Также он необходим для полетов в космос и в условиях, где нет атмосферы.
В области машиностроения кислород очень важен для резки и сварки металлов. Чтобы расплавить металл нужна специальная горелка, состоящая из металлических труб. Эти две трубы вставляются друг в друга. Свободное пространство между ними заполняют ацетиленом и зажигают. Кислород же в это время пускают по внутренней трубке. И кислород и ацетилен подаются из баллона под давлением. Образуется пламя, температура в котором достигает 2000 градусов. При такой температуре плавится практически любой металл.
Рис. 2. Ацетиленовая горелка
Применение кислорода в целлюлозно-бумажной промышленности очень важно. Он используется для отбеливания бумаги, при спиртовании, при вымывании лишних компонентов из целлюлозы (делигнификация).
В химической промышленности кислород используется в качестве реагента.
Для создания взрывчатых веществ необходим жидкий кислород. Жидкий кислород производится путем сжижения воздуха и последующего отделения кислорода от азота.
Применение кислорода в природе и жизни человека
Кислород играет наиважнейшую роль в жизни человека и животных. Свободный кислород существует на нашей планете благодаря фотосинтезу. Фотосинтез – это процесс образования органического вещества на свету с помощью углекислого газа и воды. В результате этого процесса образуется кислород, который необходим для жизнедеятельности животных и человека. Животные и человек потребляют кислород постоянно, растения же расходуют кислород только ночью, а днем производят его.
Применение кислорода в медицине
Кислород находит применение и в медицине. Особенно актуально его использование при затрудненном дыхании во время некоторых заболеваний. Он применяется для обогащения дыхательных путей при туберкулезе легких, а также используется в наркозной аппаратуре. Кислород в медицине используется для лечения бронхиальной астмы, болезней желудочно-кишечного тракта. Для этих целей используют кислородные коктейли.
Также большое значение имеют кислородные подушки – прорезиненная емкость, заполненная кислородом. Она служит для индивидуального применения медицинского кислорода.
Рис. 3. Кислородная подушка
Что мы узнали?
В данном сообщении, которое охватывает тему «Кислород» по химии 9 класса кратко даны общие сведения о свойствах и применении этого газа. Кислород крайне важен для машиностроения, медицины, металлургической области и т.д.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6. Всего получено оценок: 387.
Лекция «Кислород –
химический элемент и простое вещество»
План
лекции:
1. Кислород – химический элемент:
а)
Характеристика химического элемента – кислорода по его положению в ПСХЭ
б)
Валентные возможности атома кислорода
в)
Распространённость химического элемента в природе
2. Кислород – простое вещество
а)
Получение кислорода
б)
Химические свойства кислорода
в)
Круговорот кислорода в природе
г)
Применение кислорода
«Dum spiro spero» (Пока дышу, надеюсь…), — гласит
латынь
Дыхание – это синоним
жизни, а источник жизни на Земле – кислород.
Подчёркивая важность кислорода для земных
процессов, Яков Берцелиус сказал: « Кислород – это вещество, вокруг которого
вращается земная химия»
Материал данной лекции обобщает
ранее полученные знания по теме «Кислород».
1.
Кислород – химический элемент
а)
Характеристика химического элемента – кислорода по его положению 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.
б)
Валентные возможности атома кислорода
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.
Внимание! H2O2 (перекись водорода) – O (валентность II)
СО
(угарный газ) – О (валентность III)
в)
Распространённость химического элемента кислорода 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 %.
2.Кислород
– простое вещество
а) Получение кислорода
Получение в лаборатории
1) Разложение перманганата калия (марганцовка):
2KMnO4 t˚C=K2MnO4+MnO2+O2↑
2) Разложение перекиси водорода:
2H2O2 MnO2=2H2O + O2↑
3) Разложение бертолетовой соли:
2KClO3 t˚C , MnO2=2KCl + 3O2↑
Получение в промышленности
1) Электролиз воды
2H2O эл. ток=2H2 + O2↑
2) Из воздуха
ВОЗДУХ давление, -183˚C=O2 (голубая жидкость)
В
настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях
небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия
(марганцовка) KMnO4. Кислород мало растворим в воде и тяжелее
воздуха, поэтому его можно получать двумя способами:
·
вытеснением воды;
·
вытеснением воздуха (кислород будет собираться на
дне сосуда).
Существуют и другие способы получения
кислорода.
Посмотрите видео-сюжет
получение кислорода при разложении марганцовки (перманганата калия). Полученный
кислород можно обнаружить на дне сосуда тлеющей лучинкой – она вспыхнет.
б)
Химические свойства кислорода
Взаимодействие веществ с кислородом называется окислением.
В результате образуются оксиды –
сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является
двухвалентный атом кислорода.
Реакции окисления, протекающие с выделением тепла и
света, называют реакциями горения. Кислород взаимодействует с простыми
веществами – металлами и неметаллами; а так же со сложными веществами.
Изучите алгоритм составления уравнений реакций
окисления на примере алюминия и метана CH4.
в)
Круговорот кислорода в природе
В природе кислород
образуется в процессе фотосинтеза, который происходит в зелёных растениях на
свету. В целях сохранения кислорода в воздухе вокруг городов и крупных
промышленных центров создаются зоны зелёных насаждений.
г)
Применение кислорода
Применение кислорода
основано на его свойствах: кислород поддерживает горение и дыхание.
В заключении ещё раз отметим важность
кислорода для всего живого на нашей планете такими поэтическими строками:
«
Он всюду и везде:
В
камне, в воздухе, в воде,
Он
и в утренней росе
И небес голубизне…»
Кислород
Кислород — самый распространенный элемент земной коры, входит в состав более 1500 соединений земной коры. Общее количество кислорода в земной коре близко к половине ее массы (около 47%).
В свободном состоянии кислород находится в атмосферном воздухе, содержание свободного кислорода составляет 20,95 % (по объёму). В связанном виде входит в состав воды, морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 % (по массе), минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы растений и животных.
Кислород играет исключительно важную роль в природе. При участии кислорода совершается один из важнейших жизненных процессов — дыхание. Важное значение имеет и другой процесс, в котором участвует кислород, — тление и гниение погибших животных и растений; при этом сложные органические вещества превращаются в более простые (в конечном результате в CO2, воду и азот), а последние вновь вступают в общий круговорот веществ в природе. Кислород является необходимым для обеспечения жизни и легко соединяется с другими элементами.
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа. Основным лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов щелочей. Небольшие количества кислорода можно получать взаимодействием раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида водорода.
Свойства кислорода
Кислород (O2) – бесцветный газ без вкуса и запаха. Он немного тяжелее воздуха: масса 1 л кислорода при нормальных условиях равна 1,43 г, а 1 л воздуха 1,293 г. Растворим в воде, хотя и в небольших количествах: 100 объемов воды при 0°C растворяют 4,9, а при 20°C — 3,1 объема кислорода. Температура кипения – минус 183,0°C, температура плавления – минус 218,8°C. Плотность Р при 200°C составляет 1061,45 мг/м3. Кислород образует двухатомные молекулы, характеризующиеся высокой прочностью: стандартная энтальпия атомизации кислорода равна 498 кДж/моль. При комнатной температуре его диссоциация на атомы ничтожна; лишь при 1500°C она становится заметной.
Жидкий кислород не имеет запаха, по цвету голубой и кипит при -183°С. Один литр жидкого кислорода дает около 840 литров газообразного кислорода.
Области применения кислорода
Широкое промышленное применение кислорода началось в середине ХХ века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения.
Применение кислорода весьма разнообразно и основано на его химических свойствах. В больших количествах кислород используют для ускорения химических реакций в разных отраслях химической промышленности и в металлургии. Например, при выплавке чугуна для повышения производительности доменных печей в них подают воздух, обогащенный кислородом. Его применяют для интенсификации химических процессов во многих производствах (например, в производстве серной и азотной кислот, в доменном процессе). Кислородом пользуются для получения высоких температур, для чего различные горючие газы (водород,ацетилен) сжигают в специальных горелках. Кислород используют в медицине при затрудненном дыхании.
При сжигании ацетилена или водорода с кислородом в специальных горелках температура пламени достигает 3000°C. Кислород — важнейший продукт основного химического производства. Применяется как реагент в химической технологии (обжиг сульфидных руд, синтез оксидов), металлургии (производство чугуна и стали), газификации природного угля, сварке и резке металлов. Жидкий кислород — окислитель топлива в ракетной технике. Технический жидкий кислород применяется после его газификации газопламенной обработки металлов и других технических целей.
Химическая и нефтехимическая промышленность
Кислород используется для окисления исходных реагентов, образуя азотную кислоту, этиленоксид, пропиленоксид, винилхлорид и другие основные соединения. Помимо этого он может использоваться для увеличения производительности мусоросжигательных печей.
Нефтегазовая промышленность
В нефте- и газодобыче кислород находит применения для увеличения вязкости и улучшения нефтегазового потока из колодцев. Кислород используется для увеличения производительности заводов по крекингу нефти, для более эффективной переработки высокооктановых компонент, для уменьшения серных отложений на НПЗ.
Металлургия
Кислород используется для увеличения температуры горения при производстве черных и цветных металлов, дутье в доменных печах, извлечении золота из руд, производстве ферросплавов, выплавке никеля, цинка, свинца, циркония и других цветных металлов, для создания высокотемпературного пламени в сварочных горелках при резке и пайке металла, для напыления и наплавки металлов кислородном. Конвертерный способ производства стали связан с применением кислорода.
Сварка и резка металлов
Кислород в баллонах широко используется для газопламенной резки и сварки металлов, для плазменного
высокоточного раскроя металлов;
Ракетное топливо
В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и
другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей
ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород — фтор и
водород — фторид кислорода).
Стекольная промышленность
В стекловаренных печах кислород используется для улучшения горения. Кроме этого он применяется для
уменьшения выбросов оксидов азота до безопасных уровней.
Целлюлозно-бумажная промышленность
Кислород используется при делигнификации, спиртовании и других процессах.
Медицина
Кислород используется для обогащения дыхательных смесей при нарушении дыхания, для лечения астмы,
в виде кислородных коктейлей и в других случаях.
Хранение и перевозка кислорода
Технический газообразный кислород хранят и перевозят в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) голубого цвета.
Перевозка баллонов осуществляется всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки опасных грузов,
действующими на данном виде транспорта. Технический жидкий кислород перевозят в специализированных транспортных
цистернах с нанесённой на них синей полосой и надписью «кислород». Криогенные сосуды, наполненные жидким кислородом,
перевозят только автомобильным транспортом.
Опасные факторы и меры безопасности
Кислород не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. Не токсичен, не горюч и не взрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, увеличивает способность материалов к горению. Многие несгораемые при нормальном воздухе материалы могут гореть в чистом кислороде или в воздухе, богатом кислородом. При взаимодействии со смазочными веществами – взрывается. Во избежание взрывов необходимо защищать кислородные баллоны от нагрева. Запрещено курить и пользоваться открытым огнем вблизи работы с кислородом.
Когда жидкий кислород испаряется, испарившийся газ имеет очень низкую температуру и плотность тяжелее воздуха. Поэтому он может накапливаться, например, в канализации и вызвать повышенную концентрацию кислорода в воздухе. Жидкий кислород и холодные пары кислорода могут вызвать обморожение кожи с травмами, подобными ожогам. Попадание открытых участков кожи в контакт с неизолированными узлами может вызвать прилипание кожи и повреждение при попытке отрыва. В таком случае поврежденные участки нужно обильно поливать теплой водой и ни в коем случае не протирать кожу. Обращаться к медперсоналу. Длительная ингаляция газообразного кислорода вызывает поражение органов дыхания и легких.
Там, где обращаются с жидким кислородом, необходимо исключить попадание кислорода в соприкосновение с неподходящими материалами, например, сталью, которая становится хрупкой при низкой температуре, и автомобильной резиной. Определенные марки стали, в т.ч. углеродистая сталь и некоторые другие материалы непригодны для использования при низких температурах, так как они теряют свою ударостойкость и становятся очень хрупкими. Обычно при низких температурах можно использовать нержавеющую сталь, алюминий и медь, а также их сплавы.
При работе с жидким кислородом необходимо употреблять надлежащие перчатки, защитные очки, защитную обувь и защитные средства для тела. Инструмент и одежда должны быть свободными от масла и жира. Ни один узел, применяемый с кислородом, не должен соприкасаться с маслом или жиром. Посторонние лица не должны заходить в зоны с повышенной концентрацией кислорода в воздухе. После работы в помещении с повышенной концентрацией кислорода в воздухе необходимо хорошо проветрить одежду.