§ 21. Аллотропные модификации кислорода. Получение кислорода и озона

Определения и обозначения

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, элемент кислород образует кислород O₂ и озон O₃. Это понятие помогает объяснить, почему вещества из атомов одного элемента могут вести себя по-разному.

Аллотропная модификация — одна из простых форм существования химического элемента. Кислород и озон являются двумя аллотропными модификациями элемента кислорода. Сравнивая их, мы видим, что свойства вещества зависят не только от того, какие атомы входят в молекулу, но и от того, как они соединены.

Озон — простое вещество, состоящее из трёхатомных молекул O₃. Он отличается от кислорода O₂ составом молекул, цветом, запахом и химической активностью; его название связано с греческим словом «пахнущий». Термин нужен, чтобы не путать газ озон с химическим элементом кислород, атомы которого входят в обе формы.

Получение кислорода — выделение молекулярного O₂ химическим разложением веществ или разделением воздуха. В лаборатории кислород можно получить из соединения, а в промышленности — выделить из смеси газов воздуха. Выбор способа зависит от того, сколько кислорода требуется и для какой цели.

Как это устроено

Кислород и озон называют аллотропными модификациями одного элемента, потому что в состав обеих молекул входят только атомы кислорода. Однако в одной молекуле O₂ два атома, а в O₃ — три, поэтому различаются и строение молекул, и свойства веществ. Формулы показывают именно состав одной молекулы: индекс ₂ или ₃ относится к числу атомов кислорода.

Озон образуется из кислорода, когда на молекулы O₂ действует электрический разряд или ультрафиолетовое излучение. Полученной энергии достаточно, чтобы часть молекул кислорода изменилась и образовались молекулы O₃. Озон неустойчив: со временем он снова превращается в кислород, поэтому в природе его образование и распад могут происходить непрерывно.

В лаборатории кислород получают нагреванием некоторых кислородсодержащих веществ, например перманганата калия. При разложении соединения образуется газ O₂, который отводят по трубке и собирают над водой. Такой способ удобен, потому что кислород слабо растворяется в воде и вытесняет её из сосуда; при этом установку нужно герметично собрать и осторожно нагревать.

На предприятиях кислород получают из воздуха: его сначала сжижают охлаждением и сжатием, а затем разделяют компоненты жидкого воздуха. Это возможно потому, что вещества в его составе имеют разные температуры кипения и испаряются при разных условиях. Разделение смеси позволяет производить большие объёмы кислорода без расходования большого количества твёрдого исходного вещества, как в лабораторном опыте.

Озон применяют для обеззараживания воды и воздуха, поскольку он сильнее кислорода окисляет многие вещества. При окислении повреждаются важные части микроорганизмов, и они погибают. Но тот же газ опасен для человека при вдыхании, поэтому озонирование проводят в контролируемых условиях, а концентрацию озона ограничивают.

Сравнение кислорода и озона

Используйте таблицу, чтобы сравнить две формы одного элемента по составу и свойствам. Особенно важно отделять строение молекулы от свойств вещества: три атома в O₃ не делают озон более устойчивым. При выборе применения учитывайте не только полезное действие газа, но и его опасность.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, являются ли O₂ и O₃ простыми веществами и аллотропными модификациями одного элемента, и обоснуйте ответ. Сначала выясним, из каких атомов состоят молекулы, а затем применим определения простого вещества и аллотропии. Так можно не спутать химический элемент с веществом, которое из него образовано.

1. В молекуле O₂ находятся два атома кислорода, а в молекуле O₃ — три атома кислорода. Других химических элементов в этих формулах нет.
2. Каждое вещество, состоящее из атомов одного элемента, является простым. Поэтому кислород O₂ и озон O₃ — простые вещества.
3. Формы одного элемента, которые различаются строением и свойствами, называют аллотропными модификациями. O₂ и O₃ относятся к таким формам элемента кислорода.

Ответ: O₂ и O₃ — простые вещества и аллотропные модификации одного химического элемента, кислорода.

Задача 2. При разложении перманганата калия выделилось 4,8 г кислорода. Найдите количество вещества O₂ и число молекул газа. Сначала переведём массу в моли, а затем количество вещества — в число молекул с помощью числа Авогадро.

1. Молярная масса кислорода O₂ равна 2 · 16 = 32 г/моль. Два атома в молекуле важно учесть, иначе результат получится вдвое больше.
2. Количество вещества: n = m/M = 4,8 г / 32 г/моль = 0,15 моль. Единицы граммов сокращаются, и остаются моли.
3. Число молекул: N = n · Nₐ = 0,15 · 6,02 · 10²³ ≈ 9,03 · 10²² молекул. Округляем результат до трёх значащих цифр.

Ответ: n(O₂) = 0,15 моль; N ≈ 9,03 · 10²² молекул.

Задача 3. Сравните лабораторное получение кислорода нагреванием перманганата калия и промышленное разделение жидкого воздуха. Какой способ выбрать для небольшого количества газа? Сопоставим, откуда берётся O₂ и насколько масштабен каждый процесс.

1. При нагревании перманганата калия происходит химическое разложение вещества, и выделяется кислород. Установка подходит для получения небольшого объёма газа в лаборатории.
2. При промышленном способе кислород не образуется из нового вещества, а отделяется от других компонентов воздуха. Сжижение и разделение смеси рассчитаны на большие объёмы производства.
3. Для небольшого количества удобнее нагреть перманганат калия: процесс можно провести в лаборатории без оборудования для сжижения воздуха. При выборе способа учитывают масштаб, доступные вещества и оборудование.

Ответ: для небольшого количества кислорода выбирают лабораторное разложение перманганата калия; жидкий воздух разделяют при промышленном производстве.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать кислород и озон разными химическими элементами. Так думают, потому что вещества имеют разные свойства и формулы, но элемент определяется видом атомов, а не их числом в молекуле. Проверьте себя: если в обеих формулах только символ O, перед вами простые вещества одного элемента.
• Ошибка — путать O₂ и O₃ или воспринимать индекс как заряд либо число молекул. Индекс в химической формуле показывает число атомов данного элемента в одной молекуле. Для самопроверки прочитайте формулу вслух: O₃ — одна молекула из трёх атомов кислорода.
• Ошибка — считать озон устойчивее кислорода, потому что в его молекуле больше атомов. Число атомов не показывает, насколько легко вещество превращается в другое; озон неустойчив и распадается с образованием O₂. Сверьте вывод с тем, как озон образуется и что происходит с ним со временем.
• Ошибка — считать озон безвредным, раз его применяют для обеззараживания. Полезное действие на микроорганизмы не означает безопасности для человека: озон токсичен при вдыхании. Проверьте, указаны ли контроль концентрации, проветривание или удаление людей из зоны обработки.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия химического элемента, простого вещества, молекулы, химической формулы и реакции разложения. Свойства кислорода пригодятся при изучении окисления, горения и способов получения веществ. Озон связан с атмосферой, озоновым слоем и экологическими вопросами, а различие между O₂ и O₃ показывает, как строение молекул влияет на свойства.

Что запомнить

• Кислород и озон — аллотропные модификации химического элемента кислорода.
• Формулы молекул этих веществ — O₂ и O₃.
• Озон образуется из кислорода под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения.
• Озон неустойчив и способен превращаться в кислород.
• В лаборатории кислород получают разложением кислородсодержащих веществ, а в промышленности — разделением воздуха.
• Озон — сильный окислитель и токсичный газ.