Кислород

Общие сведения
Исторически так сложилось, что химический элемент и одно из простых веществ, образованных атомами этого элемента, имеют общее название — кислород. Поскольку между этими понятиями существует принципиальная разница, следует четко различать, о чем идет речь — о кислороде как о химическом элементе или о простом веществе.
Кислород как химический элемент
Химический знак кислорода — О. Относительная атомная масса кислорода равна 16:

А_r(0) = 16.

Когда говорят о кислороде как о химическом элементе, то подра­зумевают атомы кислорода. Например: «В состав многих сложных ве­ществ входит кислород», «Массовая доля кислорода в глюкозе равна

53,3 %». В этих примерах речь идет об атомах кислорода (О), которые наряду с атомами других химических элементов входят в состав слож­ных веществ, следовательно, в данном случае речь идет о кислороде как о химическом элементе.

Кислород как простое вещество

Простое вещество кислород существует в виде молекул. Молекула кислорода состоит из двух ато­мов химического элемента кислорода, поэтому химическая формула кислорода как про­стого вещества — 0₂.

Поскольку относительная атомная масса кислорода равна 16, то относительная молекулярная масса простого вещества кислорода равна:

M_r(0₂) = Аг(0) • 2 = 16 • 2 = 32.

Следовательно, молярная масса кислорода равна:

M(0₂) = 32 г/моль.

Как у всех газов, молярный объем кислорода при нормальных ус­ловиях равен:

V_m(0₂) = 22,4 дм³/моль.

Когда говорят о кислороде как о простом веществе, то подразуме­вают вещество, имеющее формулу О₂. Например: «Железные изделия быстро ржавеют в атмосфере влажного кислорода», «Для горения древесины необходим кислород». В этих примерах речь идет о вещест­ве, имеющем формулу 0₂.

Кроме кислорода, существует еще одно простое вещество, моле­кулы которого состоят только из атомов кислорода. Это озон, моле­кула которого содержит три атома кислорода, его формула — 0₃.

Получение кислорода

Наиболее важным для человека и других живых организмов ве­ществом, входящим в состав воздуха, является кислород. Большие ко­личества кислорода используются в промышленности, поэтому важно знать, как можно его получать.

Получение кислорода в лабораторных условиях

В химической лаборатории кислород можно получать нагреванием некоторых сложных веществ, в состав которых входят атомы кисло­рода. 

Если в прибор для получения газов поместить немного порошка KMnO₄ и на­греть, то будет выделяться кислород:

                 t

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂.

Кислород можно также перчит. разложением пероксида водорода H₂O₂. Для этого в пробирку с H₂О₂ следует добавить очень небольшое количество особого вещества - катализатора - и закрыть пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Для данной реакции ката­лизатором является вещество, формула которого MnO₂. При этом протекает следующая химическая реакция:

                MnO₂

2H₂О_{2   =}    2H2O + O₂.

Обратите внимание на то, что ни в левой, ни в правой частях урав­нения формулы катализатора нет. Его формулу принято записывать в уравнении реакции над знаком равенства. Для чего же добавляется катализатор? Процесс разложения H₂O₂ при комнатных условиях про­текает очень медленно. Поэтому для получения заметных количеств кислорода необходимо много времени. Однако эту реакцию можно резко ускорить путем прибавления катализатора.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ней не расходуется.

Еще один способ получения кислорода — разло­жение воды под действием постоянного электричес­кого тока. Этот процесс называется электролизом воды.

2Н₂О = 2H₂ + O₂.

Кислород в природе

Огромное количество газообразною кислорода содержится в атмосфере, растворено в водах морей и океанов. Кислород необходим все’ живым организмам для дыхания. Без кислорода невозможно было бы получать энергию за счет сжи­гания различных видов топлива.Откуда берется кислород на Земле и почему его количество оста­ется примерно постоянным, несмотря на такой расход? Единственным источником кислорода на нашей планете являются зеленые растения, производящие его под действием солнечного света в процессе фо­тосинтеза.

 В результате фотосинтеза в зеленых частях растений углекислый газ и вода превращаются в глюкозу C₆H₁₂O₆ и кислород. Суммарное уравнение реакций, протекающих в процессе фотосинтеза, можно представить следующим образом:

                 hv

6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Установлено, что примерно одну десятую часть (11 %) произво­димого зелеными растениями кислорода дают наземные растения, а остальные девять десятых (89 %) — водные растения.

В промышленных усло­виях кислород, азот и некоторые другие газы (аргон, неон) получают из воздуха.

Для этого воздух сначала превращают в жидкости пу­тем охлаждения до такой низкой температуры, при которой все его компоненты переходят в жидкое агре­гатное состояние. Затем эту жидкость медленно нагревают, в результате чего при разных температурах происходит последовательное выкипание (т. е. пере­ход в газообразное состояние) веществ, которые содержатся в воздухе. Собирая выкипающие при разных температу­рах газы, по отдельности получают азот, кислород и другие вещества.

Физические и химические свойства кислорода

Как у любого химического вещества, у кислорода есть свой набор физических и химических свойств, по которым его можно отличить от других веществ.

Физические свойства:

• неметалл;
• га­з при нормальных условиях; 
• не имеет цвета, запаха и вкуса. 
• температура кипения кислорода равна: t_кип. = -183 °С, 
• температура плавления составляет: t_пл. = -219 °С.
• кислород плохо растворим в воде.

Химические свойства

Кислород является химически активным веществом. Он спосо­бен вступать в реакции с множеством других веществ, однако для протекания большинства этих реакций необходима более высокая, чем комнатная, температура. При нагревании кислород реагирует с неметаллами и металлами.

Если стеклянную колбу наполнить кислородом и внести в нее ло­жечку с горящей серой, то сера вспыхивает с образованием яркого пламени и быстро сгорает:

S + 0₂ = S0_2.

Подлаженный красный фосфор в колбе с кислородом вспыхивает еще ярче и быстро сгорает, образуя густой белый дым:

4P + 5O₂ = 2P₂O₅. 

Если в колбу с кислородом внести тлеющий уго­лек, состоящий в основном из углерода, то он так­же вспыхивает и сгорает ярким пламенем:

C + O₂ = CO_2. 

Кроме неметаллов, с кислородом реагируют и многие металлы. Внесем в колбу с кислородом рас­каленную стальную проволоку, состоящую в основном из железа. Проволока начинает ярко светиться и разбрасывать в разные стороны раскаленные искры, как при горении бенгальского огня:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄. 

Кроме простых веществ, в кислороде горят и многие сложные вещества, например метан CH₄. При горении метана образуются уг­лекислый газ и вода:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O.

Вопросы и задания:

1. Какой объем занимает при нормальны' условиях кислород массой 160 г?
2. Чему равно общее число атомов кислорода, содержащихся в озоне массой 0,96 кг?
3. Рассчитайте массу пероксида водорода H₂O₂, который необ­ходим для получения кислорода массой 50 г.
4. Рассчитайте массовую долю кислорода в Fe₂O₃ и Fe₃O₄.