"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Кислород — химический элемент O и простое вещество O₂, необходимое для дыхания и поддерживающее горение. Он входит в состав воздуха, воды, минералов и живых организмов. В природе кислород встречается свободным и связанным, а в лаборатории его получают разложением некоторых веществ. Чтобы разобраться в теме, важно отличать атом кислорода от его молекулы, знать свойства газа и понимать, почему при его получении используют катализатор.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кислород как химический элемент обозначают буквой O, а его относительная атомная масса равна 16. Простое вещество кислород состоит из молекул O₂, поэтому его относительная молекулярная масса равна 32. Различие обозначений помогает понять, говорим ли мы об атомах элемента или о газе, которым дышим.
Озон — простое вещество того же химического элемента, его формула O₃. В молекуле озона три атома кислорода, а сам он отличается от O₂ цветом, запахом и большей химической активностью. Формула нужна, чтобы не путать озон с обычным кислородом при описании свойств и реакций.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Так, элемент кислород образует кислород O₂ и озон O₃. Это понятие объясняет, почему вещества с атомами одного и того же элемента могут иметь разные свойства.
Катализатор — вещество, ускоряющее химическую реакцию и практически не расходующееся в ней. Например, оксид марганца(IV) ускоряет разложение пероксида водорода с выделением кислорода. Знание роли катализатора помогает отличать его от исходных веществ и продуктов реакции.
Кислород находится в 16-й группе Периодической системы и относится к неметаллам. У его атома шесть электронов на внешнем уровне, поэтому до устойчивого внешнего уровня ему не хватает двух электронов. В соединениях кислород обычно проявляет валентность II, то есть образует две связи; неметаллические свойства связаны с тем, что атом стремится притягивать электроны.
Два атома кислорода образуют молекулу O₂, соединяясь общей парой электронов. Такая связь называется ковалентной: атомы совместно используют электроны, а у одинаковых атомов пара притягивается обоими одинаково. Поэтому связь ковалентная неполярная, а молекула O₂ — устойчивое существование кислорода как простого вещества.
При обычных условиях молекулы O₂ находятся далеко друг от друга и свободно движутся, поэтому кислород — газ. Он бесцветен и не имеет запаха, поскольку молекулы не дают видимого света и слабо воздействуют на обоняние. Кислород немного тяжелее воздуха из-за большей средней массы его молекул, а в воде растворяется слабо, хотя небольшое количество газа в ней всё же есть.
В свободном состоянии кислород входит в состав воздуха, где его молекулы не соединены с другими элементами. В связанном состоянии атомы кислорода входят в состав воды, минералов и органических веществ — например, веществ живых организмов. Такое разделение показывает, что кислород в природе существует и как самостоятельное простое вещество, и как часть соединений.
В лаборатории кислород получают разложением некоторых веществ: при распаде одного сложного вещества образуются более простые. Например, пероксид водорода разлагается на воду и кислород, а оксид марганца(IV) ускоряет этот процесс. В промышленности кислород получают разделением жидкого воздуха, поскольку воздух — смесь газов. Для сбора кислорода подходит вытеснение воды из-за его слабой растворимости, а также вытеснение воздуха: кислород немного тяжелее воздуха и может вытеснять его из сосуда.
| Характеристика | Кислород O₂ | Озон O₃ |
|---|---|---|
| Число атомов в молекуле | 2 | 3 |
| Физическое состояние и цвет | Газ без цвета | Газ голубоватого цвета |
| Запах | Без запаха | Резкий характерный запах |
| Растворимость в воде | Слабо растворим | Растворяется лучше кислорода |
| Устойчивость и химическая активность | Устойчивее, менее активен | Менее устойчив, более активен |
| Нахождение в природе | Входит в состав воздуха | Содержится в атмосфере, особенно в озоновом слое |
| Значение для живых организмов | Необходим для дыхания | В верхних слоях атмосферы защищает от части ультрафиолетовых лучей |
Сравнивайте вещества по каждой строке, а не только по числу атомов в формуле. Таблица показывает, что разные молекулы одного элемента имеют неодинаковые свойства и значение. Озон полезен в атмосфере, но вблизи поверхности Земли в больших количествах вреден для организмов.
Задача 1. Укажите, каким способом можно собрать кислород, полученный при разложении пероксида водорода, и объясните выбор способа. Нужно сопоставить свойства газа с условиями сбора: если газ хорошо растворялся бы в воде, он терялся бы при пропускании через неё. Также можно использовать плотность относительно воздуха.
Ответ: удобнее собрать кислород вытеснением воды; также его собирают вытеснением воздуха с учётом плотности газа.
Задача 2. Составьте и уравняйте уравнение разложения пероксида водорода H₂O₂ в присутствии оксида марганца(IV). Сначала определяем продукты: при разложении образуются вода и кислород. Затем проверяем число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки, чтобы выполнялся закон сохранения массы.
Ответ: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂; над стрелкой можно указать MnO₂, который служит катализатором и не входит в уравнение как реагент.
Задача 3. Какую массу перманганата калия KMnO₄ нужно разложить, чтобы получить 3,2 г кислорода? Дано уравнение: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂. Сначала находим соотношение количеств веществ по коэффициентам, затем переводим его в массы.
Ответ: нужно разложить 31,6 г KMnO₄.
Первая ошибка — обозначать простое вещество кислород формулой O, смешивая его с химическим элементом или отдельным атомом. Путают потому, что название одно, а смысл записи зависит от контекста. Проверка простая: молекула обычного кислорода двухатомная, поэтому формула газа O₂.
Иногда говорят, что кислород горит. На самом деле кислород сам не горит, а участвует в горении других веществ и поддерживает его. Ошибку помогает обнаружить вопрос: какое вещество служит горючим, а какое обеспечивает реакцию с ним?
Ещё одна ошибка — считать, что кислород хорошо растворяется в воде. Это приводит к неверному выбору способа сбора: газ будто бы должен почти весь исчезнуть в воде. На деле он растворяется слабо, поэтому его можно собирать вытеснением воды; проверьте себя, сравнив растворимость газа с принципом этого способа.
Формулу озона иногда записывают как O₂ или считают, что при его получении образуется обычный кислород. Причина — смешение аллотропных веществ одного элемента. Сверяйте число атомов: у озона формула O₃, а в уравнении реакции нужно отдельно учитывать именно озон, если он указан среди продуктов.
Чтобы разбирать строение и свойства кислорода, нужны знания об обозначениях химических элементов, строении атома и валентности. Различие простых и сложных веществ помогает понимать, чем O₂ отличается от воды или минералов. Закон сохранения массы нужен для составления и уравнивания реакций.
Свойства кислорода пригодятся при изучении горения, оксидов и дыхания. Участие кислорода в реакциях связано также с окислительно-восстановительными процессами, а уравнения позволяют рассчитывать количества веществ. Поэтому примеры с разложением соединений подготавливают к более сложным химическим расчётам.
Растворимость и плотность газов помогают выбирать способ их получения и сбора. Те же свойства используют, чтобы объяснить, почему газ собирают вытеснением воды или воздуха. Для распознавания вещества нужны также его характерные физические и химические свойства.
Почему кислород записывают как O₂, а не просто O?
O обозначает химический элемент или один его атом, а обычное простое вещество кислород состоит из молекул, в каждой из которых по два атома. Поэтому формула вещества — O₂. Отдельные атомы кислорода в обычных условиях легко соединяются друг с другом.
Почему кислород поддерживает горение, но сам не горит?
Горение — это реакция вещества с кислородом, при которой выделяются тепло и часто свет. Кислород участвует в реакции и помогает другим веществам гореть, но сам не является горючим веществом. Поэтому он поддерживает горение, а не горит.
Почему кислород можно собирать вытеснением воды?
Кислород слабо растворяется в воде и не вступает с ней в реакцию при обычных условиях. Поэтому он почти не теряется, когда поступает в заполненный водой сосуд и вытесняет из него воду. Такой способ позволяет получить газ достаточно чистым.
Чем кислород отличается от озона?
Молекула кислорода O₂ состоит из двух атомов, а молекула озона O₃ — из трёх. Озон имеет характерный запах, лучше растворяется в воде и химически активнее кислорода. Оба вещества образованы одним элементом, но являются разными простыми веществами.
Зачем при получении кислорода используют оксид марганца(IV)?
Оксид марганца(IV) ускоряет разложение пероксида водорода, поэтому кислород выделяется быстрее. Такое вещество называют катализатором: оно практически не расходуется в реакции. Сам кислород образуется из атомов, входивших в состав пероксида водорода.
§ 22. Кислород, его общая характеристика, нахождение в природе и получение
