§ 38. Кислород и озон. Соединения кислорода

Определения и обозначения

Кислород — химический элемент, атомы которого имеют символ O. Простое вещество кислород записывают формулой O₂: его молекула состоит из двух атомов кислорода. Различие между обозначением элемента и формулой вещества нужно, чтобы правильно читать уравнения: O показывает вид атомов, а O₂ — частицы газа, участвующие в реакции.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Для кислорода это молекулярный кислород O₂ и озон O₃. Термин помогает понять, почему два вещества из атомов одного элемента могут иметь разные физические и химические свойства.

Озон — простое вещество, молекулы которого состоят из трёх атомов кислорода, O₃. Он представляет собой голубоватый газ с резким характерным запахом и химически активнее кислорода. Знание формулы и свойств озона важно для объяснения его образования, действия в атмосфере и опасности при высокой концентрации у поверхности Земли.

Оксиды — бинарные соединения кислорода с другим химическим элементом. В большинстве соединений кислород имеет степень окисления −2, но в пероксидах она равна −1, а в соединениях с фтором кислород имеет положительную степень окисления. Эти исключения учитывают при составлении формул и расстановке степеней окисления.

Как это устроено

Молекула O₂ состоит из двух атомов, а молекула O₃ — из трёх; отличаются и их форма, и распределение связей. Озон менее устойчив: он может превращаться в кислород, поэтому охотнее вступает в реакции окисления. Отсюда различия свойств: кислород поддерживает горение, а озон проявляет более сильную окислительную активность. Иными словами, состав и строение молекулы влияют на её устойчивость и химическое поведение.

В природе кислород находится в воздухе, воде и составе множества минералов и соединений живых организмов. В лаборатории его получают химическими реакциями разложения, например разложением пероксида водорода; катализатор ускоряет процесс, но сам расходуется незначительно. В промышленности воздух охлаждают до сжижения, а затем разделяют его компоненты, используя различие температур кипения. Кислород обнаруживают тлеющей лучинкой: в этом газе она вспыхивает, потому что кислород поддерживает горение.

Кислород реагирует и с металлами, и с неметаллами; продукты таких реакций обычно относятся к оксидам. Например, магний сгорает с образованием оксида магния: 2Mg + O₂ → 2MgO. Сера реагирует с кислородом с образованием оксида серы(IV): S + O₂ → SO₂. Кислород здесь является окислителем, то есть принимает электроны от реагирующего элемента; горение — быстрый вариант такого взаимодействия с выделением энергии.

Озон образуется из кислорода под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения: часть молекул O₂ превращается в O₃. Образовавшийся озон неустойчив и со временем вновь превращается в кислород, выделяя энергию: 2O₃ → 3O₂. Именно неустойчивость связана с его высокой окислительной активностью: озон окисляет многие вещества, которые кислород при тех же условиях изменяет медленно. Поэтому озон применяют для обеззараживания, соблюдая осторожность.

Озоновый слой в стратосфере поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения, опасного для живых организмов. Благодаря этому до поверхности Земли доходит меньше лучей, способных повреждать клетки и наследственный материал. Однако у поверхности озон становится загрязнителем воздуха: при высоких концентрациях он раздражает дыхательные пути и вреден для растений. Значение вещества зависит от того, где оно находится и какова его концентрация.

Сравнение кислорода и озона

Таблица показывает, что кислород и озон состоят из атомов одного элемента, но имеют разные молекулы и свойства. Сопоставляйте строки попарно: например, неустойчивость озона помогает объяснить его высокую химическую активность. При ответе о биологическом значении обязательно уточняйте, о каком слое атмосферы идёт речь.

Разбор задач

1. Реакции кислорода с магнием и серой

Условие. Составить уравнения реакций кислорода с магнием и серой, уравнять их и назвать оксиды. Сначала определяем возможные продукты по типичным реакциям элементов с кислородом, затем проверяем число атомов с обеих сторон уравнения. Название оксида уточняем по элементу, связанному с кислородом.

1. Для магния записываем формулу оксида MgO и схему реакции: Mg + O₂ → MgO.
2. Слева два атома кислорода, поэтому ставим коэффициент 2 перед MgO, а затем 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO.
3. Для серы при горении записываем образование SO₂: S + O₂ → SO₂. Уравнение уже уравнено: по одному атому серы и по два атома кислорода с каждой стороны.
4. Проверяем: в первом уравнении по два атома Mg и O с каждой стороны, во втором совпадает число атомов S и O.

Ответ. 2Mg + O₂ → 2MgO — оксид магния; S + O₂ → SO₂ — оксид серы(IV). Коэффициенты показывают, в каких соотношениях реагируют частицы веществ.

2. Расчёт кислорода для сгорания углерода

Условие. Для примера найдём количество вещества и объём кислорода, необходимого для полного сгорания 12 г углерода. При полном сгорании углерода образуется углекислый газ. Объём газа рассчитаем при нормальных условиях, используя молярный объём 22,4 л/моль.

1. Записываем уравнение: C + O₂ → CO₂. Коэффициенты показывают соотношение n(C):n(O₂) = 1:1.
2. Находим количество углерода: n(C) = m/M = 12 г / 12 г/моль = 1 моль.
3. По соотношению из уравнения требуется столько же кислорода: n(O₂) = 1 моль.
4. Вычисляем объём: V(O₂) = n × 22,4 л/моль = 22,4 л.
5. Проверяем единицы: масса использовалась для нахождения количества вещества, а молярный объём перевёл моли газа в литры.

Ответ. Для сгорания 12 г углерода нужно 1 моль, или 22,4 л кислорода при нормальных условиях. Если в условии дана другая масса, расчёт выполняют теми же шагами.

3. Смесь кислорода и озона

Условие. Пусть исходный объём смеси O₂ и O₃ равен 10 л, а после полного превращения озона в кислород образуется 12 л кислорода. Найдём начальные объёмы компонентов. Считаем, что газы измерены при одинаковых условиях: тогда объёмы реагирующих газов относятся как коэффициенты в уравнении.

1. Записываем превращение: 2O₃ → 3O₂. Из двух объёмов озона получается три объёма кислорода, то есть из объёма y озона образуется 1,5y кислорода.
2. Обозначаем исходные объёмы кислорода через x, озона — через y. По общему объёму получаем x + y = 10.
3. После превращения исходный O₂ остаётся, а из озона получается дополнительный кислород: x + 1,5y = 12.
4. Вычитаем первое уравнение из второго: 0,5y = 2, значит y = 4 л. Тогда x = 10 − 4 = 6 л.
5. Проверяем: 6 л исходного O₂ и 4 л O₃ дают 6 + 1,5 × 4 = 12 л O₂.

Ответ. В исходной смеси было 6 л кислорода и 4 л озона. В таком расчёте важно отличать начальный объём смеси от объёма кислорода после превращения озона.

Типичные ошибки

Ошибка — считать O и O₂ одним и тем же. O обозначает химический элемент или отдельный атом, а O₂ — молекулу простого вещества; путаница возникает из-за похожей записи. Проверь себя: посмотри, описывает ли формула вид атомов или частицу вещества в реакции.

Ошибка — считать кислород и озон разными химическими элементами. Это аллотропные формы одного элемента: в обеих молекулах есть только атомы кислорода, но их число различается. Чтобы проверить ответ, сравни состав формул O₂ и O₃: новый элемент в них не появляется.

Ошибка — смешивать способы получения кислорода в лаборатории и промышленности. В лаборатории его получают химическим разложением веществ, а промышленно — разделением воздуха; часто эти способы путают, потому что оба дают один и тот же газ. Проверь себя по исходному сырью и процессу: реакция разложения относится к лабораторному способу, разделение компонентов воздуха — к промышленному.

Ошибка — приписывать кислороду степень окисления −2 во всех соединениях. Такое значение характерно для большинства оксидов, но в пероксидах оно равно −1, а в соединениях с более электроотрицательным фтором кислород имеет положительную степень окисления. Проверяй тип соединения и соблюдай правило: сумма степеней окисления с учётом индексов должна соответствовать заряду частицы.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атомов и молекул, аллотропии, степенях окисления и составлении уравнений реакций. Они помогают отличать элемент от вещества, объяснять состав молекул и проверять формулы оксидов. Позднее эти знания пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций, классов неорганических соединений и горения. Представления об озоне и кислороде также важны для понимания химии атмосферы и влияния её состава на живые организмы.

Что запомнить

• Кислород и озон — простые вещества одного химического элемента.
• Формулы молекул кислорода и озона — O₂ и O₃.
• Кислород поддерживает горение, но сам не является горючим веществом.
• Озон менее устойчив и химически активнее кислорода.
• Большинство соединений кислорода с другими элементами относится к оксидам.
• Озоновый слой поглощает значительную часть опасного ультрафиолетового излучения.