"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Кислород и озон — два простых вещества, образованных одним химическим элементом, но отличающихся составом молекул и свойствами. Такое явление называют аллотропией. Озон O₃ образуется из кислорода O₂ под действием электрического разряда или ультрафиолета, обладает сильным окисляющим действием и в верхних слоях атмосферы поглощает вредное излучение. При этом у поверхности Земли высокая концентрация озона опасна для живых организмов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, элемент кислород образует вещества O₂ и O₃. Это понятие помогает не путать химический элемент с простым веществом: состав атомов один и тот же, а сами вещества разные.
Аллотропные видоизменения кислорода — кислород O₂ и озон O₃, образованные одним элементом, но имеющие разное число атомов в молекуле. В каждой молекуле есть только атомы кислорода. Это определение объясняет, почему вещества относятся к одному элементу, хотя ведут себя неодинаково.
Озон — простое вещество, состоящее из трёхатомных молекул O₃. При обычных условиях это голубоватый газ с характерным резким запахом; он растворяется в воде лучше кислорода и токсичен в высокой концентрации. Озон химически активен и обладает сильным окисляющим действием, поэтому его применяют для обеззараживания.
Озоновый слой — часть атмосферы с повышенным содержанием озона, поглощающая значительную долю ультрафиолетового излучения. Он не является сплошной оболочкой из чистого озона: газ рассеян в воздухе. Понятие важно для понимания того, как атмосфера защищает живые организмы.
Озон может образовываться из молекул кислорода под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения. Энергии такого воздействия достаточно, чтобы часть молекул O₂ распалась на отдельные атомы кислорода. Затем свободный атом соединяется с молекулой O₂, и получается O₃. Суммарное уравнение образования озона записывают так: 3O₂ → 2O₃.
Кислород и озон называют аллотропными видоизменениями, потому что оба состоят из атомов одного элемента, но молекулы у них устроены по-разному. В O₂ атомов два, а в O₃ — три. Различие в строении влияет на взаимодействия между частицами и на химические свойства веществ. Поэтому одинаковый химический элемент может образовывать вещества с разными цветом, запахом и активностью.
При обычных условиях кислород — бесцветный газ без запаха, а озон имеет голубоватый цвет и резкий характерный запах. Оба вещества растворяются в воде, но озон — лучше. Озон тяжелее кислорода: относительная плотность по кислороду равна отношению их молярных масс, 48/32 = 1,5. Озон токсичен, поэтому запах не следует проверять намеренным вдыханием.
Озон химически активнее кислорода и легче разлагается, потому что его молекулы менее устойчивы. При нагревании или других воздействиях озон превращается в более устойчивые молекулы кислорода. Уравнение реакции: 2O₃ → 3O₂. Озон также легко окисляет многие вещества, из-за чего может уничтожать микроорганизмы и окислять примеси.
В верхних слоях атмосферы ультрафиолет помогает образованию озона, а сам озон поглощает значительную часть этого излучения. Благодаря такому круговороту озонового слоя до поверхности Земли доходит меньше опасного ультрафиолета. Однако озон у поверхности Земли образуется, в частности, при загрязнении воздуха и воздействии солнечного света на некоторые примеси. В высокой концентрации он раздражает дыхательные пути и опасен для людей и животных.
| Свойство | Кислород O₂ | Озон O₃ |
|---|---|---|
| Состав молекулы и число атомов кислорода | O₂, два атома | O₃, три атома |
| Цвет и запах | Бесцветный, без запаха | Голубоватый, резкий характерный запах |
| Растворимость в воде | Растворяется слабо | Растворяется лучше кислорода |
| Относительная плотность по сравнению с кислородом | 1 | 1,5 |
| Химическая активность | Окислитель, менее активен, чем озон | Сильный окислитель |
| Устойчивость молекул | Более устойчивы | Менее устойчивы, разлагаются с образованием O₂ |
| Действие на живые организмы | Необходим для дыхания | В высокой концентрации токсичен |
| Применение | Медицина, металлургия, дыхательные смеси и другие области | Обеззараживание воды и воздуха, удаление запахов |
Сначала сравните формулы: они показывают, сколько атомов кислорода входит в каждую молекулу. Затем сопоставьте свойства и проследите, как отличие в строении связано с активностью и устойчивостью. Таблица также помогает не переносить пользу озонового слоя на озон у поверхности Земли.
Нужно назвать простые вещества одного элемента и проверить, что формулы показывают разное строение молекул. Для этого достаточно вспомнить, что аллотропные видоизменения состоят из атомов одного элемента, но различаются составом или строением частиц. Запишем ответ в виде названий и формул.
В формуле O₂ указано два атома кислорода в молекуле. Это простое вещество кислород.
В формуле O₃ указано три атома кислорода в молекуле. Это простое вещество озон.
Оба вещества состоят только из атомов O, поэтому относятся к одному химическому элементу и являются его аллотропными видоизменениями.
Ответ: кислород O₂ и озон O₃.
При разложении исходным веществом служит озон, а продуктом — кислород. Сначала записываем формулы без коэффициентов, затем уравниваем число атомов кислорода слева и справа. Индексы в формулах менять нельзя: они обозначают состав молекул.
Записываем схему: O₃ → O₂.
Наименьшее общее число атомов, которое делится и на 3, и на 2, — шесть. Поэтому ставим коэффициент 2 перед O₃ и 3 перед O₂.
Проверяем: слева 2 × 3 = 6 атомов O, справа 3 × 2 = 6 атомов O. Число атомов сохраняется.
Ответ: 2O₃ → 3O₂.
По уравнению реакции можно определить соотношение количеств веществ, а затем перейти от количества кислорода к его массе. Молярные массы найдём по относительным атомным массам: O = 16. Важно учитывать коэффициенты реакции: 2 моль озона дают 3 моль кислорода.
Находим молярные массы: M(O₃) = 3 × 16 = 48 г/моль, M(O₂) = 2 × 16 = 32 г/моль.
Вычисляем количество озона: n(O₃) = m/M = 9,6/48 = 0,2 моль.
По уравнению 2 моль O₃ дают 3 моль O₂. Значит, n(O₂) = 0,2 × 3/2 = 0,3 моль.
Рассчитываем массу продукта: m(O₂) = n × M = 0,3 × 32 = 9,6 г.
Ответ: образуется 9,6 г кислорода.
Ошибка: считать кислород и озон разными химическими элементами из-за их разных свойств. Так думают, если смешивают понятия элемента и вещества; проверьте формулы — и O₂, и O₃ состоят только из атомов O. Разное число атомов в молекуле меняет свойства вещества, но не обозначение элемента.
Ошибка: записывать формулу озона как O₂ или O₄. O₂ — формула молекулы кислорода, а O₃ — озона; число в формуле показывает количество атомов в молекуле. Чтобы проверить себя, вспомните название «трёхатомная молекула» и не заменяйте индекс коэффициентом.
Ошибка: утверждать, что озон безопасен при любой концентрации. Это заблуждение возникает из-за того, что озоновый слой защищает Землю; однако у поверхности озон токсичен при повышенном содержании. Проверяйте, о каком месте и концентрации идёт речь: роль вещества в атмосфере и его действие при вдыхании различаются.
Ошибка: путать образование озона с его разложением или неверно расставлять коэффициенты. При образовании из кислорода записывают O₂ → O₃, а при разложении — O₃ → O₂; в обоих случаях после уравнивания число атомов должно совпадать. Например, правильное уравнение разложения — 2O₃ → 3O₂, и по обе стороны в нём шесть атомов кислорода.
Для изучения озона нужно знать, что такое химический элемент, простое вещество и молекула, а также уметь читать формулы и уравнивать реакции. Тема связана с окислительно-восстановительными реакциями: озон проявляет окислительные свойства и может вступать в реакции с разными веществами. Эти знания пригодятся при изучении атмосферы и экологических проблем, а также при обсуждении обеззараживания воды и воздуха. При этом применение озона требует контроля его концентрации из-за токсичности.
Почему кислород и озон считают аллотропными видоизменениями?
Оба вещества состоят только из атомов одного химического элемента — кислорода. Но молекула кислорода содержит два атома (O₂), а молекула озона — три (O₃), поэтому строение и свойства веществ различаются.
Чем молекула озона отличается от молекулы кислорода?
В молекуле кислорода O₂ два атома кислорода, а в молекуле озона O₃ — три. Из-за различного состава озон химически активнее, сильнее окисляет вещества и легче разлагается.
Почему озон химически активнее кислорода?
Молекула озона менее устойчива, чем молекула O₂, и сравнительно легко распадается с образованием кислорода. При этом озон активно окисляет многие вещества, то есть вступает с ними в реакции, отнимая у них электроны.
Всегда ли озон полезен для человека?
Нет. В верхних слоях атмосферы озон поглощает значительную часть опасного ультрафиолетового излучения, поэтому озоновый слой защищает живые организмы. У поверхности Земли озон токсичен и при высокой концентрации вреден для человека и животных.
Как образуется и для чего нужен озоновый слой?
Ультрафиолетовое излучение расщепляет часть молекул кислорода, а образовавшиеся атомы соединяются с молекулами O₂ и дают O₃. Озон в атмосфере поглощает значительную долю ультрафиолетового излучения Солнца, защищая живые организмы.
§ 26. Озон. Аллотропия кислорода
