8. Кислород

Определения и обозначения

Кислород как химический элемент — это вид атомов с порядковым номером 8 в периодической системе; его символ — O. У каждого атома кислорода в ядре 8 протонов, а в нейтральном атоме вокруг ядра находятся 8 электронов. Положение элемента и символ помогают отличать его от других элементов и записывать состав веществ.

Кислород как простое вещество состоит только из атомов одного химического элемента, а его формула — O₂. Это бесцветный газ, который поддерживает дыхание и горение, но не горит сам. Различие важно: химический элемент описывает атомы, а свойства газа относятся к веществу, состоящему из этих атомов.

Молекула кислорода — частица из двух атомов кислорода, соединённых химической связью; её формула O₂. Образование молекулы позволяет атомам получить более устойчивое электронное состояние. Индекс 2 в формуле показывает число атомов в одной молекуле, а не число молекул.

Горение — быстрое взаимодействие вещества с кислородом, сопровождающееся выделением тепла и часто света. Так, при горении магния образуется оксид магния, а при горении углерода — углекислый газ. Термин помогает отличить быстрое окисление от медленных процессов, например постепенного ржавления железа.

Как это устроено

В атоме кислорода восемь электронов: два занимают первый электронный слой, а шесть находятся на внешнем. Внешнему слою для устойчивого состояния не хватает двух электронов, поэтому атомы кислорода могут объединяться и образовывать общие электронные пары. В молекуле O₂ два атома связаны друг с другом, и такая частица устойчивее, чем два отдельных атома в обычных условиях. Поэтому формула газа содержит два атома, хотя символ химического элемента остаётся O.

В природе кислород бывает свободным и связанным. Свободный газ находится в атмосфере и растворён в воде, а связанный входит в состав воды, минералов, горных пород и веществ организмов. Его количество в атмосфере поддерживается круговоротом: растения и некоторые микроорганизмы выделяют кислород при фотосинтезе, используя энергию света. Дыхание, горение и разложение органических веществ расходуют кислород, поэтому его содержание зависит от баланса этих процессов.

При обычных условиях кислород — бесцветный газ без запаха, малорастворимый в воде и немного тяжелее воздуха. Газ можно сжимать, поэтому для хранения и перевозки его помещают в прочные баллоны под давлением; при этом баллоны требуют осторожного обращения. Кислород применяют в медицине и технике, потому что он нужен для дыхания и усиливает окислительные процессы. Его растворимость в воде позволяет водным организмам получать кислород из окружающей среды, хотя растворяется газ лишь в небольшом количестве.

Кислород реагирует со многими металлами и неметаллами, потому что атомы этих веществ могут образовать с атомами кислорода более устойчивые соединения. Такие соединения называют оксидами: например, магний соединяется с кислородом с образованием MgO, а углерод — CO₂. Уравнения показывают, какие частицы вступают в реакцию и какие продукты появляются: 2Mg + O₂ → 2MgO; C + O₂ → CO₂. Коэффициенты нужны, чтобы число атомов каждого элемента до и после реакции было одинаковым.

При горении в кислороде вещество быстро реагирует с газом, выделяя тепло, а часто и яркий свет; например, магний горит ослепительно ярко. На воздухе горение обычно менее интенсивное, потому что кислород составляет лишь около одной пятой объёма воздуха, а остальная часть в обычных условиях преимущественно не участвует в реакции. В чистом кислороде его доля выше, поэтому реакция может идти быстрее и ярче. Наблюдаемое свечение и выделение тепла — признаки горения, а не доказательство того, что кислород сам является горючим.

Кислород: свойства и реакции

Таблица связывает состав кислорода с его наблюдаемыми свойствами, реакциями и применением. По уравнениям можно проверить, какие оксиды образуются и правильно ли расставлены коэффициенты. Сопоставляй каждое применение с тем свойством, которое делает его возможным.

Разбор задач

Формула молекулы

Условие: укажите формулу молекулы кислорода и число атомов кислорода в одной молекуле. Нужно не смешать обозначение химического элемента с формулой вещества. Индекс в формуле показывает, сколько атомов одного элемента входит в молекулу.

1. Символ химического элемента кислорода — O.
2. Молекула простого вещества состоит из двух атомов кислорода, поэтому записываем индекс 2 справа внизу: O₂.
3. Считываем индекс: в одной молекуле содержатся два атома кислорода.

Ответ: формула молекулы кислорода — O₂; одна молекула содержит два атома кислорода.

Реакция магния с кислородом

Условие: запишите и уравняйте реакцию магния с кислородом и назовите образовавшееся вещество. Металл магний образует с кислородом оксид магния, формула которого MgO. После составления формул нужно проверить число атомов с обеих сторон уравнения.

1. Записываем схему реакции: Mg + O₂ → MgO.
2. Слева в молекуле O₂ два атома кислорода, а справа в MgO только один; ставим коэффициент 2 перед MgO.
3. Теперь справа два атома магния, поэтому ставим коэффициент 2 перед Mg слева: 2Mg + O₂ → 2MgO.
4. Проверяем: по обе стороны два атома Mg и два атома O. Коэффициенты наименьшие целые, уравнение составлено правильно.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; образуется оксид магния.

Масса кислорода в реакции

Условие: при горении углерода образовалось 44 г углекислого газа. Определите массу вступившего в реакцию кислорода. Используем уравнение C + O₂ → CO₂: один моль кислорода образует один моль углекислого газа. Значит, соотношение масс O₂ и CO₂ равно их молярным массам — 32 г к 44 г.

1. Записываем уравнение реакции: C + O₂ → CO₂.
2. Находим молярные массы: M(O₂) = 32 г/моль, M(CO₂) = 44 г/моль.
3. По коэффициентам 1:1 на каждый моль CO₂ расходуется один моль O₂. Для 44 г CO₂ требуется 32 г O₂.
4. Проверяем здравый смысл: масса кислорода меньше массы продукта, потому что в CO₂ также входит углерод.

Ответ: вступило в реакцию 32 г кислорода.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать O и O₂ одним и тем же. Её допускают, потому что оба обозначения относятся к кислороду, но одно называет элемент или отдельный атом, а другое — молекулу простого вещества. Проверь себя: если речь о газе и составе его молекулы, нужна запись O₂.

• Ошибка — утверждать, что кислород сам горит. Обычно это путают с тем, что без кислорода многие вещества гореть не могут. Кислород поддерживает горение, но не служит горючим веществом; проверь формулировку: в реакции горит или окисляется другое вещество.

• Ошибка — считать, что при горении расходуется весь воздух. Воздух представляет собой смесь газов, и в обычной реакции главным образом участвует кислород, тогда как другие его компоненты преимущественно не реагируют. Проверь себя: уравнение горения записывает кислород O₂, а не воздух как отдельное вещество.

• Ошибка — записывать уравнение без проверки атомов. Причина — сосредоточиться на формулах продуктов и забыть о сохранении числа атомов. Пересчитай каждый элемент слева и справа; если числа различаются, расставь коэффициенты перед формулами, не меняя индексы внутри формул.

Связь с другими темами

Для изучения кислорода пригодятся знания о строении атома: число протонов и электронов помогает понять положение элемента и образование связей. Нужно также различать химический элемент, простое и сложное вещество, читать индексы в формулах и уравнивать реакции. Эти навыки позволят правильно записывать образование оксидов. Позже они помогут изучать реакции соединения, состав воздуха, дыхание и обмен веществ в природе.

Что запомнить

• Химический символ кислорода — O; формула простого вещества — O₂.
• Молекула кислорода состоит из двух атомов.
• Кислород — бесцветный газ без запаха; он малорастворим в воде.
• Кислород входит в состав воздуха и многих соединений.
• При взаимодействии кислорода с веществами образуются оксиды.
• Кислород поддерживает горение, но сам не горит.