"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Кислород — химический элемент O и простое вещество O₂, без которого не обходятся дыхание многих организмов и горение. Он входит в состав воздуха, воды, минералов и живых организмов, а в природе встречается как в свободном, так и в связанном состоянии. Молекулы O₂ состоят из двух атомов; другой вариант простого вещества этого элемента — озон O₃. Кислород почти не растворяется в воде, поддерживает горение и широко применяется в медицине, металлургии и технике.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кислород как химический элемент — это вид атомов, обозначаемый символом O. Простое вещество кислород — вещество, составленное только из атомов этого элемента; его обычная формула — O₂. Различать эти понятия нужно, чтобы не путать обозначение атомов с формулой вещества.
Молекула кислорода O₂ состоит из двух атомов кислорода, соединённых друг с другом. В её составе нет атомов других элементов, поэтому кислород относится к простым веществам. Число 2 в формуле показывает количество атомов в одной молекуле.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Эти вещества состоят из атомов одного элемента, но различаются строением молекул и свойствами. Понятие помогает объяснить, почему один элемент может образовывать вещества, непохожие друг на друга.
Озон O₃ — простое вещество того же элемента, что и кислород O₂, но его молекула содержит три атома. Значит, символ O указывает на химический элемент, а O₂ и O₃ — формулы разных простых веществ. Сопоставление кислорода и озона — пример аллотропии.
В природе кислород встречается и свободным, и связанным. Свободный кислород есть в воздухе в виде молекул O₂; связанным называют кислород, входящий в состав соединений, например воды и минералов. Он также входит в состав веществ живых организмов, потому что многие их молекулы содержат атомы O. Различие важно: в соединениях кислород не находится отдельно как газ O₂.
При обычных условиях кислород — газ без цвета, запаха и вкуса, слабо растворимый в воде. Эти физические свойства связаны с тем, что отдельные молекулы O₂ не образуют заметно окрашенной или пахучей среды и лишь в небольшой степени переходят в воду. Растворённого кислорода достаточно для дыхания водных организмов, хотя в воде его гораздо меньше, чем в воздухе.
Кислород реагирует со многими веществами, образуя оксиды — соединения кислорода с другим элементом. Например, при сгорании магния образуется оксид магния: 2Mg + O₂ → 2MgO. Такие реакции относят к окислению; горение — быстрый вариант окисления, при котором выделяются тепло, а часто и свет. Кислород помогает горючему веществу окисляться, но сам не горит, поскольку не является топливом.
В лаборатории кислород получают разложением веществ, содержащих кислород: например, при разложении пероксида водорода с катализатором или нагревании некоторых веществ. Катализатор ускоряет реакцию, но сам в ней не расходуется. В промышленности воздух сначала охлаждают до жидкого состояния, а затем разделяют его компоненты по температурам кипения; этот способ позволяет получать кислород в больших количествах. В лаборатории используют химическую реакцию, а на производстве — разделение смеси воздуха.
Кислород можно собирать вытеснением воды: газ поступает в перевёрнутый сосуд и вытесняет из него воду. Метод удобен, потому что кислород слабо растворяется в воде и обычно не вступает с ней в реакцию. В медицине кислород дают пациентам, которым трудно получать его при дыхании. В металлургии и технике его используют для усиления горения и высокотемпературных процессов: это применение связано с тем, что кислород поддерживает окисление.
Таблица помогает быстро сопоставить формулу, свойства и способы использования кислорода. При повторении сначала найдите нужную строку, а затем прочитайте пояснение в третьем столбце. Так легче увидеть связь между свойством вещества и его применением.
| Что сравниваем | Основные сведения | Пример или пояснение |
|---|---|---|
| Формула и состав молекулы | O₂; два атома кислорода | Молекула простого вещества |
| Физические свойства | Газ без цвета, запаха и вкуса; слабо растворим в воде | Можно собирать вытеснением воды |
| Химические свойства | Реагирует со многими веществами, поддерживает горение | 2Mg + O₂ → 2MgO |
| Нахождение в природе | Свободное и связанное состояние | Воздух; вода, минералы и организмы |
| Получение | В лаборатории — разложение веществ; в промышленности — разделение жидкого воздуха | Способы различаются масштабом и принципом |
| Применение | Медицина, металлургия и техника | Дыхание и усиление горения |
Задача 1. Расставьте коэффициенты: Mg + O₂ → MgO. Сначала сравним число атомов слева и справа: молекула кислорода содержит два атома O, а в одной формульной единице MgO — один атом O. Значит, справа нужно поставить 2 перед MgO, а затем уравнять магний.
Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициенты показывают соотношение частиц, которое сохраняет число атомов каждого элемента.
Задача 2. Сколько граммов кислорода нужно для сгорания 12 г магния? По уравнению 2Mg + O₂ → 2MgO на 2 моль Mg приходится 1 моль O₂. Сначала найдём количество магния, а потом по этому соотношению — количество кислорода.
Ответ: для полного сгорания 12 г магния потребуется 8 г кислорода. Проверка по уравнению показывает, что количество O₂ вдвое меньше количества Mg.
Задача 3. Какой объём кислорода при нормальных условиях нужен для сгорания 4,8 г углерода по уравнению C + O₂ → CO₂? Коэффициенты углерода и кислорода равны, поэтому их количества вещества должны быть одинаковыми. Сначала найдём количество углерода, затем переведём такое же количество O₂ в объём.
Ответ: потребуется 8,96 л кислорода. В расчёте использованы коэффициенты уравнения и молярный объём газа при нормальных условиях.
Для начала нужно различать химический элемент и простое вещество, а также понимать, что показывает формула. Это помогает читать O, O₂ и формулы соединений, не смешивая обозначение атома с составом молекулы.
Навык составления и уравнивания реакций нужен, чтобы описывать окисление и горение. Коэффициенты в уравнении показывают соотношение веществ и позволяют решать расчётные задачи на массу и объём.
Кислород связан с темами о составе воздуха, дыхании и оксидах. Знание его свойств объясняет роль газа в дыхании и горении, а способы получения пригодятся при изучении получения других веществ.
Почему кислород поддерживает горение, но сам не горит?
При горении горючее вещество реагирует с кислородом, а кислород выступает окислителем — участником реакции, который помогает горючему соединиться с ним. Сам O₂ не является горючим веществом, поэтому для него говорят «поддерживает горение», а не «горит».
Чем химический элемент кислород отличается от простого вещества кислорода?
Химический элемент O — это вид атомов с определённым зарядом ядра. Простое вещество кислород — это вещество, состоящее только из атомов этого элемента; обычно его молекулы имеют формулу O₂.
Почему формула кислорода записывается как O₂?
При обычных условиях простое вещество кислород состоит из молекул, в каждой из которых соединены два атома кислорода. Нижний индекс 2 показывает число атомов в молекуле, поэтому запись O обозначает атом или элемент, а O₂ — молекулу вещества.
Чем кислород отличается от озона?
И кислород O₂, и озон O₃ — простые вещества одного химического элемента, но их молекулы имеют разное число атомов. Из-за различия в строении у этих веществ отличаются свойства: например, озон обладает резким запахом и химически активнее кислорода.
Как в лаборатории собирают кислород и почему выбран этот способ?
Кислород можно собирать в сосуд вытеснением воды: газ проводят по трубке в перевёрнутую ёмкость, заполненную водой. Этот способ подходит, потому что кислород слабо растворяется в воде и не реагирует с ней в обычных условиях.
§ 14. Кислород
