"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Кислород — химический элемент и простое вещество O₂, необходимое для дыхания и участвующее во многих реакциях. Его аллотропная модификация озон O₃ отличается строением, запахом и высокой химической активностью. Кислород поддерживает горение, но сам не горит; озон сильнее окисляет, однако в больших количествах опасен. Важно знать, как получают эти вещества, чем они различаются и почему озоновый слой защищает жизнь на Земле.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кислород — химический элемент с символом O и простое вещество, молекулы которого в обычных условиях состоят из двух атомов и имеют формулу O₂. В Периодической системе он находится во втором периоде, шестой группе; порядковый номер элемента — 8. Кислород входит в состав воды, воздуха и многих веществ, а его участие в дыхании и обмене веществ необходимо большинству живых организмов.
Озон — аллотропная модификация кислорода с формулой O₃, то есть простое вещество, молекула которого состоит из трёх атомов O. В отличие от обычного кислорода O₂, озон обладает резким запахом, менее устойчив и химически активнее. Такое различие важно учитывать: свойства вещества определяются не только тем, какие атомы входят в молекулу, но и тем, как они соединены.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, кислород образует молекулы O₂ и O₃. Понятие помогает не путать химический элемент O с простыми веществами, которые образованы его атомами и могут вести себя по-разному.
Озоновый слой — часть атмосферы, в которой содержится повышенное количество озона. Он поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца, опасного для живых организмов. Поэтому озон полезен в верхних слоях атмосферы, хотя у поверхности Земли его избыток вреден.
У атома кислорода восемь электронов: два находятся на первом энергетическом уровне, а шесть — на внешнем. Для заполнения внешнего уровня атому не хватает двух электронов, поэтому в молекуле O₂ два атома образуют общие электронные пары и двойную связь. В школьных задачах кислороду обычно приписывают валентность II; способность принимать электроны объясняет его роль окислителя и высокую активность во многих реакциях.
В промышленности кислород получают из воздуха, который сначала охлаждают до сжижения, а затем разделяют на компоненты. Это возможно потому, что азот и кислород имеют разные температуры кипения и испаряются при нагревании жидкого воздуха не одновременно. В лаборатории кислород получают разложением кислородсодержащих веществ, например пероксида водорода; диоксид марганца ускоряет процесс, не расходуясь в реакции.
При горении горючее вещество реагирует с кислородом, а энергия выделяется в виде тепла и света. Кислород не служит топливом: он принимает участие в окислении другого вещества, поэтому говорят, что он поддерживает горение, но сам не горит. Например, магний реагирует с ним с образованием оксида магния: 2Mg + O₂ → 2MgO; неметалл сера образует диоксид серы: S + O₂ → SO₂.
Озон образуется из кислорода, когда энергия электрического разряда или ультрафиолетового излучения помогает молекулам O₂ превратиться в O₃. Упрощённо процесс записывают так: 3O₂ ⇄ 2O₃. Обратное превращение тоже возможно, поэтому озон менее устойчив и со временем распадается, особенно при нагревании.
Озон окисляет сильнее кислорода, потому что его молекулы менее устойчивы и легче вступают в химические реакции. Эта способность позволяет использовать озон для обеззараживания воды и обработки воздуха: он разрушает многие вредные микроорганизмы и окисляет загрязнители. Но то же действие опасно для человека: высокая концентрация озона раздражает дыхательные пути и повреждает ткани, поэтому обращаться с ним нужно осторожно.
| Свойство | Кислород O₂ | Озон O₃ |
|---|---|---|
| Число атомов в молекуле | 2 | 3 |
| Строение молекулы | Два атома соединены двойной связью | Три атома образуют угловую молекулу |
| Физическое состояние и цвет | Газ без цвета; жидкий кислород голубой | Газ голубоватого цвета; жидкий озон тёмно-синий |
| Запах | Без запаха | Резкий характерный |
| Устойчивость | Относительно устойчив | Менее устойчив, распадается с образованием O₂ |
| Химическая активность | Активный окислитель | Активнее кислорода |
| Окислительные свойства | Сильные | Ещё более сильные |
| Получение | Разделением воздуха или разложением веществ | Из O₂ под действием разряда или ультрафиолета |
| Биологическое значение | Необходим для дыхания многих организмов | В атмосфере защищает от части ультрафиолета; у поверхности в избытке токсичен |
| Применение | В металлургии, медицине и химическом производстве | Для обеззараживания воды и обработки воздуха |
Сравнивай вещества по строкам: так видно, что одинаковый химический элемент образует простые вещества с разными свойствами. Особенно важно не смешивать действие озона в верхних слоях атмосферы с его воздействием у поверхности Земли. Состояние и цвет в таблице относятся к обычным условиям для газов, а к жидкостям — к охлаждённым веществам.
Найти количество вещества и объём при нормальных условиях, если масса O₂ равна 16 г. Сначала определим молярную массу: относительная атомная масса кислорода равна 16, а в молекуле два атома. Значит, M(O₂) = 2 · 16 = 32 г/моль; при нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Ответ: 0,5 моль O₂, или 11,2 л при нормальных условиях. Проверка: масса 16 г составляет половину молярной массы кислорода, значит, количество вещества должно быть 0,5 моль. Тогда и объём должен быть половиной молярного объёма.
Нужно записать реакцию разложения H₂O₂ в присутствии MnO₂ и найти массу пероксида для получения 6,72 л O₂ при нормальных условиях. Сначала уравниваем реакцию: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂; MnO₂ записывают над стрелкой, потому что он ускоряет реакцию и не расходуется. Из уравнения видно: на 1 моль O₂ нужны 2 моль H₂O₂.
Ответ: уравнение реакции — 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (MnO₂); для получения 6,72 л O₂ требуется 20,4 г H₂O₂. Число молей пероксида вдвое больше числа молей кислорода, как и показывают коэффициенты уравнения. Катализатор в расчёте не учитывается.
Сравним расход кислорода при полном сгорании равных масс серы и фосфора. В школьных задачах под полным сгоранием серы обычно понимают образование SO₂, а фосфора — P₂O₅: S + O₂ → SO₂ и 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Разные коэффициенты уравнений и молярные массы означают, что одинаковые массы этих веществ содержат неодинаковое количество атомов.
Ответ: больше кислорода расходуется на сгорание фосфора. При одинаковой массе фосфора получается больше молей атомов, чем молей атомов серы, а уравнение реакции учитывает ещё и соотношение коэффициентов. Продукты различаются, потому что сера образует SO₂, а фосфор — P₂O₅.
Ошибка — говорить, что кислород горит. Так иногда считают, потому что в кислороде горение идёт особенно ярко, но это значит, что он поддерживает реакцию как окислитель, а не выступает топливом. Проверь себя: в уравнении горения кислород соединяется с другим веществом, например 2Mg + O₂ → 2MgO.
Формулу простого вещества кислорода иногда записывают как O или O₃. Элемент обозначают символом O, но молекула обычного кислорода состоит из двух атомов, поэтому правильная формула вещества — O₂; O₃ — формула озона. Чтобы проверить запись, уточни, идёт ли речь об атоме элемента или о простом веществе.
Кислород и озон нельзя считать одним и тем же веществом только потому, что оба состоят из атомов O. Их молекулы устроены по-разному, поэтому отличаются запах, устойчивость и окислительная способность. Проверяй число атомов в формуле: O₂ — кислород, O₃ — озон, а оба вещества являются аллотропными формами одного элемента.
Ещё одна ошибка — считать, что озон получится при простом смешивании веществ, или путать его образование с лабораторным получением кислорода. Для превращения O₂ в O₃ необходимы электрический разряд или ультрафиолетовое излучение. Проверяй исходное вещество и условия: озон образуется из кислорода под действием энергии, а кислород в лаборатории выделяют разложением кислородсодержащих веществ.
Для изучения темы пригодятся знания о строении атома и валентности, составлении формул и уравнений реакций, а также расчётах по ним. Кислород и озон помогают понять окислительно-восстановительные реакции, горение, дыхание и коррозию металлов. Сведения о промышленном получении кислорода показывают, как химические свойства веществ используют в производстве.
Озоновый слой связывает химию с изучением атмосферы и экологических проблем. Озонирование — обработка воды или воздуха озоном — использует его окислительное и обеззараживающее действие. При этом необходимо учитывать разницу между защитным озоном в атмосфере и опасной высокой концентрацией у поверхности Земли.
Почему кислород поддерживает горение, если сам не горит?
Горение — это реакция вещества с окислителем, обычно с кислородом, при которой выделяются тепло и свет. Кислород принимает участие в окислении другого вещества, но не является горючим топливом. Поэтому в кислороде пламя становится ярче, хотя сам кислород не горит.
Чем кислород отличается от озона?
Молекула кислорода состоит из двух атомов и обозначается O₂, а молекула озона — из трёх атомов и обозначается O₃. Озон менее устойчив, обладает резким запахом и окисляет сильнее кислорода. Оба вещества состоят из одного химического элемента, но имеют разные свойства.
Почему озон имеет резкий запах и считается сильным окислителем?
Запах озона ощущается даже при небольшой примеси в воздухе, потому что это вещество обладает характерным резким запахом. Молекулы O₃ менее устойчивы, чем O₂, и легче вступают в реакции, окисляя другие вещества. В высокой концентрации озон раздражает дыхательные пути и опасен для здоровья.
Как получают кислород в лаборатории?
В лаборатории кислород получают разложением кислородсодержащих веществ, например пероксида водорода. Диоксид марганца ускоряет реакцию, но сам при этом не расходуется. Выделяющийся газ собирают, вытесняя им воду или воздух.
Зачем нужен озоновый слой и почему избыток озона у поверхности Земли опасен?
Озоновый слой в атмосфере поглощает значительную часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца и тем самым защищает живые организмы. У поверхности Земли озон в высокой концентрации действует как токсичный газ. Он раздражает глаза и дыхательные пути, поэтому полезность озона зависит от того, где он находится.
§ 16. Кислород. Озон
