Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 9. ПОДГРУППА КИСЛОРОДА

§ 9.2. Кислород и его свойства

Распространение в природе. Кислород - самый распространенный на Земле элемент. Он составляет 47,2 % массы земной коры. Его содержание в воздухе составляет 20,95 % по объему или 23,15 % - по массе. Кислород входит в состав воды, горных пород, многих минералов и солей, содержится в белках, жирах и углеводах, из которых состоят живые организмы.

Добывания. В лабораторных условиях кислород добывают электролизом водного раствора гидроксида натрия (электроды никелевые) или разложением при нагревании бертолетовой соли (хлората(V) калия) или перманганата калия. Расписание хлората калия значительно ускоряется при наличии оксида марганца(ИV) МnО₂:

2КСlO₂ = 2КСl + 3O₂ ↑.

Очень чистый кислород образуется при раскладе перманганата калия:

2КМnO₄ = К₂МnО₄ + МnО₂ + O₂ ↑ .

В промышленности кислород добывают из жидкого воздуха, а также при добывании водорода электролизом воды. Кислород хранят и перевозят в стальных баллонах под давлением до 15 МПа (мегапаскаль).

Физические свойства. Кислород - газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. В воде растворяется мало (в 1 л воды при 20 °С растворяется 31 мл кислорода). При температуре -183°С и давлении 101,325 кПа кислород переходит в жидкое состояние. Жидкий кислород имеет голубой цвет, втягивается в магнитное поле. Природный кислород содержит три изотопа: ¹⁶₈O (99,76 %), ¹⁷₈O (0,04 %) и ¹⁸₈O (0,20 %). Химические свойства. К завершения внешнего электронного уровня атома кислорода не хватает двух электронов. Энергично присоединяя их, атом кислорода проявляет степень окисления -2. Однако в соединениях с флуором (OF₂ и O₂F₂) общие электронные пары смещены к фтора, как к более электронное гативного элемента. В этом случае ступени окисления кислорода соответственно равны +2 и +1, а фтора-1.

Молекула кислорода состоит из двух атомов O₂. Химическая связь в ней - ковалентная неполярная.

Молекула озона состоит из трех атомов кислорода В₃. В_зон - это модификация алотропічна элемента кислорода. Хотя кислород и озон образованы одним и тем же элементом, свойства их различны. В_зон - газ с характерным запахом. Разрушает органические вещества, окисляет многие металлы, в том числе золото и платину; он более сильный окислитель, чем кислород. Например, из раствора йодида калия он выделяет йод, в то время как с кислородом эта реакция не происходит:

Озон оказывает отбеливающее и дезинфицирующее действие.

Важнейшее химическое свойство кислорода - способность образовывать оксиды почти со всеми элементами (для первых трех благородных газов оксиды не добыто). При этом с большинством веществ кислород взаимодействует непосредственно, особенно при нагревании. Например:

2Са + O₂ = 2СаО. (а)

Кислород не взаимодействует непосредственно с галогенами, золотом и платиной, их оксиды получают косвенным путем.

Сложные вещества при определенных условиях также взаимодействуют с кислородом. При этом образуются оксиды, а в некоторых случаях - оксиды и простые вещества. Например:

2С₂Н₂ + 5O₂= 4СO₂ + 2Н₂O; (6)

4NH₃ + 3O₂ = 6Н₂О + 2N₂. (в)

Оксиген как окислитель. По величине относительной электроотрицательности кислород является вторым элементом (х = 3,50, см. табл. 2.2). Поэтому в химических реакциях как с простыми, так и со сложными веществами он есть окисником, поскольку принимает электроны. С другой стороны [как следует из реакций (а), (б), (в)], кальций, карбон со степенью окисления -1 и азот со сту пенем окисления -3 отдают электроны, поэтому Са, С₂Н₂ и NH₃ являются восстановителями.

Горения, ржавления, гниения и дыхания происходят с участием кислорода. Это окислительно-восстановительные процессы.

Интенсификация химических и металлургических процессов. Процессы окисления интенсивнее происходят в кислороде, чем на воздухе. Это подтверждается простыми опытами горением угля, серы, стальной проволоки в кислороде.

Для ускорения процессов окисления вместо обычного воздуха применяют кислород или воздух, обогащенный кислородом. Кислород используется для интенсификации окислительных процессов в химической промышленности (производство азотной и серной кислот, искусственного жидкого топлива, масел и других веществ).

Кислород - эффективное средство интенсификации металлургических процессов. При продувании в доменную печь воздуха, обогащенного кислородом, значительно повышается температура пламени, в результате чего ускоряется процесс плавки и увеличивается производительность печи. Еще больший эффект наблюдается при полной или частичной замене воздуха кислородом в сталеплавильном производстве - мартеновском и бесемерівському процессах: происходит не только интенсификация этих процессов, но и улучшается качество сталей, добываемых. Успешно применяется обогащенный кислородом воздух (до 60 % О₂) в цветной металлургии (окисления сульфидных руд цинка, меди и других металлов).

Применение. Металлургическая промышленность использует достаточно много кислорода. Кислород применяется для достижение высоких температур. Температура кислородно-ацетиленового пламени достигает 500°С, кислородно-водородного - С 000°С.

В медицине кислород применяется для облегчения дыхания больных (кислородные подушки и палатки). Он используется в кислородных приборах при выполнении работ в трудной для дыхания атмосфере (подземные и подводные работы, высотные и космические полеты и т.п.).