РАСПРОСТРАНЁННОСТЬ КИСЛОРОДА НА ЗЕМЛЕ И АЛЛОТРОПИЯ
Без кислорода невозможны два фундаментальных процесса, определяющих само существование человеческой цивилизации: горение (подарившее человечеству тепло и энергию, о чём повествует древний миф о Прометее) и дыхание (биологическая основа жизни на нашей планете).
Кислород — самый распространённый химический элемент на Земле. В связанном состоянии он входит в состав всех геосфер планеты:
- В литосфере (твёрдой земной коре) на долю атомов кислорода приходится почти половина её массы — около 49%;
- В гидросфере кислород вместе с водородом образует молекулы воды (H₂O), составляя 88,9% её массы;
- В атмосфере кислород присутствует уже в свободном состоянии в виде простого вещества, занимая ровно 21% объёма воздуха.
Для элемента кислорода характерно явление аллотропии — способность одного химического элемента образовывать несколько различных простых веществ (аллотропных модификаций), различающихся числом атомов в молекуле или строением кристаллической решётки. Кислород образует две модификации:
- Обычный двухатомный кислород (O₂): газ без цвета, вкуса и запаха, поддерживающий дыхание и горение;
- Трёхатомный озон (O₃): газ с резким характерным запахом («запах грозы»). Озон образуется в природе под действием молний или ультрафиолетового излучения Солнца (3O₂ → 2O₃). В стратосфере на высоте 20–25 км озон формирует защитный «озоновый экран», поглощающий губительное для живых клеток ультрафиолетовое излучение. В технике озон применяют для экологически чистого обеззараживания питьевой воды.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА
При стандартных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса. Он немного тяжелее воздуха (молярная масса O₂ равна 32 г/моль, а средняя масса воздуха — 29 г/моль) и слабо растворим в воде (в 100 л воды при комнатной температуре растворяется всего около 3 л кислорода, чего, однако, вполне достаточно для дыхания рыб и водных организмов). При охлаждении до -183 °C кислород сжижается в подвижную светло-голубую жидкость, которая притягивается магнитом.
Получение кислорода в промышленности:
В заводских масштабах химические реакции не используют — сырьём служит бесплатный атмосферный воздух. Кислород получают физическим методом фракционной перегонки (ректификации) жидкого воздуха:
- Воздух глубоко охлаждают и сжимают под высоким давлением, превращая в жидкость;
- Затем жидкий воздух начинают медленно нагревать. Азот имеет более низкую температуру кипения (-196 °C) и испаряется первым, а жидкий кислород (температура кипения -183 °C) остаётся в аппарате.
Получение кислорода в лаборатории:
В лабораторных условиях кислород получают реакциями разложения термически нестабильных сложных кислородсодержащих соединений:
- Разложение перманганата калия (марганцовки) при нагревании:
2KMnO₄ =(t)=> K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑
- Каталитическое разложение раствора пероксида водорода (перекиси):
При комнатной температуре реакция идёт крайне медленно, но при добавлении чёрного порошка оксида марганца(IV) MnO₂ в качестве катализатора раствор мгновенно бурно вскипает с выделением чистого кислорода:
2H₂O₂ =(MnO₂)=> 2H₂O + O₂↑
СОБИРАНИЕ И РАСПОЗНАВАНИЕ КИСЛОРОДА
В школьной лаборатории для сбора чистого кислорода используют два проверенных метода:
- Метод вытеснения воздуха: газоотводную трубку опускают на дно сухого стакана или пробирки, установленной дном вниз. Поскольку кислород тяжелее воздуха, он плавно опускается на дно сосуда, вытесняя более лёгкий воздух наружу через горлышко.
- Метод вытеснения воды: пробирку, заполненную водой, переворачивают вверх дном в сосуд с водой и подводят трубку снизу. Пузырьки кислорода собираются под дном пробирки, выталкивая воду вниз. Этот метод осуществим благодаря очень низкой растворимости кислорода в воде.
Качественная реакция (распознавание): чтобы доказать наличие чистого кислорода в колбе, в неё вносят тлеющую лучинку (деревянную щепку с еле тлеющим угольком). В атмосфере кислорода лучинка мгновенно вспыхивает ярким пламенем.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА: ОКИСЛЕНИЕ И ГОРЕНИЕ
Кислород является одним из самых активных неметаллов-окислителей (уступая по электроотрицательности только фтору) и энергично взаимодействует с большинством простых и сложных веществ.
1. Взаимодействие с металлами (кроме благородных — золота Au и платины Pt):
- Горение магниевой ленты сопровождается ослепительным белым свечением (вспышкой) с образованием белого порошка оксида магния:
2Mg + O₂ = 2MgO
- Раскалённый железный порошок или тонкая стальная пружинка в колбе с чистым кислородом вспыхивает и горит с разбрасыванием ослепительных искр (подобно бенгальскому огню), образуя железную окалину:
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (смешанный оксид FeO · Fe₂O₃)
2. Взаимодействие с неметаллами:
- Сера горит на воздухе тусклым пламенем, а в чистом кислороде вспыхивает красивым васильково-синим огнём с выделением бесцветного сернистого газа с резким удушливым запахом:
S + O₂ = SO₂↑
- Фосфор горит ослепительно ярким пламенем, заполняя сосуд плотным белым дымом оксида фосфора(V):
4P + 5O₂ = 2P₂O₅
- Уголь раскаляется докрасна и сгорает без пламени и дыма, образуя углекислый газ:
C + O₂ = CO₂↑
3. Взаимодействие со сложными веществами:
Кислород окисляет сложные водородсодержащие и органические соединения до высших оксидов. Главный компонент природного газа — метан CH₄ — сгорает в кислороде с выделением огромного количества полезного тепла:
CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2H₂O
КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА В ПРИРОДЕ И СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
В живой природе кислород совершает непрерывный замкнутый планетарный круговорот:
- Расход кислорода: осуществляется в процессах дыхания всех живых существ, сжигания автомобильного и промышленного топлива, вулканической деятельности, лесных пожаров и медленного гниения органических остатков. В организме человека гемоглобин эритроцитов доставляет O₂ к клеткам, где в процессах медленного окисления пищи выделяется энергия для жизни.
- Восполнение кислорода: единственным источником свободного кислорода на Земле является биохимический процесс фотосинтеза в зелёных растениях и водорослях на свету:
6CO₂ + 6H₂O =(свет, хлорофилл)=> C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑
При этом около 80% всего кислорода планеты вырабатывают микроскопические обитатели Мирового океана — цианобактерии и фитопланктон!
Практическое применение:
- Металлургия: продувка расплавленного чугуна кислородом в конвертерах для выплавки высококачественной стали;
- Сварка и резка металлов: в кислородно-ацетиленовых горелках температура пламени превышает 3000 °C, легко разрезая толстые стальные балки;
- Космонавтика: жидкий кислород служит мощнейшим экологически чистым окислителем ракетного топлива;
- Медицина и спецслужбы: оксигенотерапия в аппаратах ИВЛ, палатах реанимации и автономные дыхательные аппараты для пожарных, водолазов и лётчиков.
Газообразный кислород транспортируют под высоким давлением (150 атмосфер) в прочных стальных баллонах голубого цвета с синей надписью «КИСЛОРОД», а жидкий кислород хранят в специальных термосах — сосудах Дьюара.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Распространённость: самый распространённый элемент Земли (49% литосферы, 89% гидросферы, 21% атмосферы).
- Аллотропия: кислород O₂ (газ без запаха) и озон O₃ (газ с запахом грозы, защитный экран Земли, антисептик).
- Получение:
- В промышленности: физическая перегонка жидкого воздуха (азот улетает при -196 °C, кислород остаётся при -183 °C).
- В лаборатории: разложение марганцовки (2KMnO₄ =(t)=> K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑) или перекиси водорода с катализатором MnO₂ (2H₂O₂ =(MnO₂)=> 2H₂O + O₂↑).
- Собирание и тест: собирают вытеснением воздуха (дном вниз, тяжелее воздуха) или воды (малорастворим); распознают вспыхиванием тлеющей лучинки.
- Химические свойства: активный окислитель:
- С металлами: 2Mg + O₂ = 2MgO; 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (окалина);
- С неметаллами: S + O₂ = SO₂↑; 4P + 5O₂ = 2P₂O₅; C + O₂ = CO₂↑;
- Со сложными веществами: CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2H₂O.
- Круговорот и баланс: расходуется на дыхание и горение; восстанавливается фотосинтезом (80% дают цианобактерии и фитопланктон океана).