"Химия", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. (изд. Астрель)
Кислород — простое вещество O₂, которое поддерживает горение и необходимо для дыхания. Он составляет около 21% объёма сухого воздуха, тогда как примерно 78% приходится на азот. Учёные получили кислород в XVIII веке, но не сразу поняли, что открыли новое вещество: объяснению мешала теория флогистона. Изучение воздуха помогло установить, что это не соединение, а смесь газов, состав которой удобно выражать через объёмные доли.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кислород — химический элемент, обозначаемый O, и простое вещество с формулой O₂. Химический элемент — это вид атомов, а простое вещество состоит из атомов одного элемента; молекула кислорода включает два атома. Кислород поддерживает горение и необходим для дыхания, поэтому его свойства важны для понимания процессов в природе и технике.
Воздух — смесь газов, а не индивидуальное химическое соединение. В нём одновременно присутствуют азот, кислород и другие газы, не связанные в единое вещество постоянного состава. Это понятие помогает отличать воздух от соединений, например воды, и объяснять, почему состав воздуха может немного меняться.
Объёмная доля компонента — отношение объёма данного газа к объёму всей газовой смеси. Её можно записать как φ = V(газа) / V(смеси), а чтобы выразить долю в процентах, результат умножают на 100%. Эта величина позволяет сравнивать состав газовых смесей и рассчитывать, сколько газа содержится в известном объёме воздуха.
Флогистонная теория — историческое представление, согласно которому при горении из вещества выделяется особая составляющая, названная флогистоном. Теория не объясняла наблюдения полностью, но долго влияла на толкование опытов. Знание о ней помогает понять, почему получение кислорода не сразу привело к верному объяснению горения.
Наблюдения за горением и дыханием заставляли учёных задумываться о роли воздуха. При горении некоторые вещества меняются, а пламя в закрытом сосуде со временем гаснет; живые организмы тоже не могут долго обходиться без воздуха. Эти явления подсказывали, что воздух не просто пустое пространство, а содержит особую часть, необходимую для процессов. Чтобы проверить это предположение, исследователи стали изучать воздух и получать его компоненты отдельно.
В XVIII веке Джозеф Пристли и Карл Вильгельм Шееле независимо друг от друга получили газ, который позднее назвали кислородом. Пристли выделил его нагреванием соединения ртути, а Шееле получил его в опытах с веществами, содержащими кислород. В газе горение шло особенно энергично, и животные могли дышать им лучше, чем обычным воздухом. Однако само получение газа не сразу объяснило, что это за вещество: учёные ещё пользовались старыми представлениями о горении.
Антуан Лавуазье исследовал горение и показал, что оно связано не с выходом флогистона, а с соединением вещества с кислородом. Он установил, что кислород — отдельный химический элемент, входящий в состав некоторых веществ и присутствующий в воздухе. При нагревании ртути в закрытом сосуде часть воздуха расходовалась, а образовавшаяся окалина при последующем нагревании выделяла газ. Количественные измерения помогли Лавуазье объяснить эти изменения и отказаться от флогистонной теории.
Воздух считают смесью газов, потому что его компоненты не теряют собственных свойств при совместном присутствии. Например, кислород по-прежнему поддерживает горение, хотя в воздухе он смешан с азотом и другими газами. Компоненты можно разделить физически, например сжижая воздух и затем разделяя его вещества по температурам кипения. У смеси нет одной неизменной формулы и строго постоянного соотношения всех компонентов.
Состав сухого воздуха выражают через объёмные доли, потому что так удобно сравнивать количество газов и находить их объёмы в пробе воздуха. В сухой смеси примерно 78% приходится на азот и 21% — на кислород; доли остальных газов намного меньше. Водяной пар не включают в эти значения для сухого воздуха, поскольку его содержание меняется с влажностью. Поэтому важно уточнять, говорится ли о сухом воздухе или о воздухе с водяным паром.
| Компонент | Формула | Объёмная доля | Роль или примечание |
|---|---|---|---|
| Азот | N₂ | Около 78% | Главный компонент сухого воздуха |
| Кислород | O₂ | Около 21% | Поддерживает горение, необходим для дыхания |
| Инертные газы | Например, Ar | Около 0,94% | Преимущественно аргон |
| Углекислый газ | CO₂ | Около 0,04% | Содержание может изменяться |
| Водяной пар и примеси | H₂O и разные вещества | Переменная | Количество зависит от влажности и условий |
Таблица показывает приблизительные объёмные доли компонентов именно в сухом воздухе: значения округлены, поэтому их сумма может немного отличаться от 100%. Сначала сравните доли азота и кислорода — вместе они составляют почти весь объём смеси. Водяной пар и примеси указаны отдельно, потому что их количество непостоянно.
Задача 1. Какой объём кислорода содержится в 100 л воздуха, если объёмная доля кислорода равна 21%? Известны общий объём смеси и доля компонента, поэтому нужно найти часть от целого. Для вычисления переводим проценты в десятичную дробь: 21% = 0,21.
Ответ: в 100 л воздуха содержится 21 л кислорода. Расчёт предполагает, что воздух сухой и его состав соответствует указанной доле. Доля меньше единицы, поэтому найденный объём компонента меньше общего объёма смеси.
Задача 2. Какой объём воздуха необходим, чтобы получить 5 л кислорода при его объёмной доле в воздухе 21%? Здесь известен объём компонента, а найти нужно объём всей смеси. Если 5 л составляет 0,21 от неизвестного объёма, весь объём будет больше 5 л.
Ответ: потребуется примерно 23,8 л воздуха. Проверка обратным действием: 23,8 · 0,21 ≈ 5 л кислорода. Округление допустимо, поскольку доля кислорода в воздухе задана приблизительно.
Задача 3. В пробе воздуха объёмом 400 мл содержится 84 мл кислорода. Определите объёмную долю кислорода и сравните её с составом атмосферного воздуха. Здесь нужно разделить объём кислорода на объём всей пробы, а затем перевести полученную дробь в проценты.
Ответ: объёмная доля кислорода равна 21%; она соответствует приблизительному составу сухого атмосферного воздуха. Единицы объёма сокращаются при делении, поэтому доля не имеет единицы измерения. Для сравнения с составом воздуха важно помнить, что оба значения должны относиться к сопоставимым условиям.
Ошибка — называть воздух химическим соединением. Её допускают, потому что воздух выглядит однородным, как многие чистые вещества, но внешнее сходство не означает постоянного химического состава. Проверьте себя: компоненты воздуха сохраняют свойства и могут быть разделены физически, а содержание водяного пара меняется. Значит, воздух — смесь газов.
Ошибка — путать химический элемент O и простое вещество O₂. Этому способствует похожее название: кислородом называют и вид атомов, и газ, которым дышат. Проверьте запись: O обозначает элемент, а O₂ — молекулу из двух атомов и формулу простого вещества. При рассуждении о горении и составе воздуха обычно имеется в виду газ O₂.
Ошибка — считать, что кислород составляет половину или большую часть воздуха. Возможно, на это влияет его важная роль в дыхании и горении, но важность компонента не означает, что его много. Проверьте себя по приблизительным долям: кислорода около 21%, а азота около 78%. Поэтому основную часть сухого воздуха составляет азот.
Ошибка — подставлять 21% в формулу как число 21 вместо десятичной дроби 0,21. Процент означает сотую часть, поэтому 21% = 21/100 = 0,21. Проверьте результат: объём компонента в смеси не может быть больше её общего объёма, если речь идёт о доле меньше 100%. Если расчёт даёт, например, 2100 л кислорода из 100 л воздуха, значит, процент перевели неверно.
Для понимания темы нужны понятия химического элемента, простого вещества, смеси и химического соединения. Они помогают различать обозначение O и формулу O₂, а также объяснять, почему воздух не имеет формулы одного вещества. Связь с физическими и химическими явлениями видна при горении и дыхании: в этих процессах расходуется кислород. Позже эти знания пригодятся при изучении свойств кислорода, реакций окисления и расчётов состава газовых смесей.
Почему воздух считают смесью, а не химическим соединением?
В воздухе несколько газов сохраняют свои свойства: например, кислород поддерживает горение, а азот — нет. Их можно разделить физическими способами, и соотношение некоторых компонентов воздуха может меняться. У химического соединения состав постоянен, а его элементы связаны химически.
Кто считается первооткрывателем кислорода?
Кислород независимо получили Джозеф Пристли и Карл Вильгельм Шееле. Пристли рассказал о своём опыте раньше, поэтому его часто называют первооткрывателем. Антуан Лавуазье позднее правильно объяснил природу газа и его роль в горении.
Почему открытие кислорода не сразу признали открытием нового элемента?
Учёные объясняли горение с помощью флогистонной теории и пытались истолковать новый газ в рамках этой идеи. Поэтому получение необычного газа ещё не означало понимания его природы. Лавуазье показал, что горение связано с соединением вещества с кислородом.
Чем объёмная доля отличается от массы вещества?
Объёмная доля показывает, какую часть общего объёма смеси занимает данный газ. Массовая доля показывает, какую часть массы смеси составляет это вещество. Для газов в составе воздуха обычно указывают именно объёмные доли.
Изменяется ли состав воздуха при наличии водяного пара и примесей?
Да. Влажность воздуха меняется, поэтому вместе с количеством водяного пара меняется и доля остальных газов в общем объёме. Пыль и другие примеси также могут присутствовать в неодинаковых количествах; поэтому основные доли обычно приводят для сухого воздуха.
§ 20. История открытия кислорода. Состав воздуха
