"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Кислород — химический элемент O и простое вещество O₂, без которого невозможно большинство процессов горения и дыхания. В природе он входит в состав воздуха, воды, минералов и живых организмов, постоянно переходя из одних веществ в другие. Кислород — бесцветный газ, который поддерживает горение, но сам обычно не горит. Его получают в лаборатории разложением кислородсодержащих веществ, а в промышленности — из воздуха.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кислород — химический элемент O с порядковым номером 8 и простое вещество, состоящее из молекул O₂. Обозначение O используют, когда говорят об атоме или элементе в составе вещества, а O₂ — когда имеют в виду газообразное простое вещество. Это различие помогает правильно читать формулы и записывать реакции.
Молекула кислорода — частица O₂, образованная двумя атомами кислорода. Атомы соединены друг с другом, поэтому устойчивой частицей простого вещества является именно пара атомов, а не отдельный атом O. Индекс 2 в формуле показывает число атомов в молекуле.
Оксид — сложное вещество из двух элементов, одним из которых является кислород. Например, в оксиде серы SO₂ соединены сера и кислород, а в оксиде магния MgO — магний и кислород. Понятие оксида нужно, чтобы называть и классифицировать продукты реакций кислорода с другими элементами.
Катализатор — вещество, изменяющее скорость реакции и практически не расходующееся в ней. В лаборатории катализатор может ускорить выделение кислорода из другого вещества, но сам не становится основным продуктом реакции. Поэтому его записывают над стрелкой уравнения, а не среди реагентов и продуктов.
У атома кислорода на внешнем электронном уровне шесть электронов, и ему выгодно получить ещё два для более устойчивого состояния. Два атома кислорода могут объединиться и образовать общую молекулу O₂, в которой каждый участвует в образовании химической связи. Поэтому формула простого вещества — O₂, хотя символ самого элемента остаётся O. Один и тот же элемент встречается и в простом веществе, и в составе соединений.
Кислород встречается в воздухе, воде, минералах и органических веществах, потому что легко входит в состав многих соединений. В воздухе он находится как простое вещество O₂, а в воде и минералах — в связанном состоянии. Растения выделяют кислород при фотосинтезе, а дыхание, горение и другие процессы его потребляют. Благодаря обмену веществ между организмами, атмосферой, водой и земной корой кислород постоянно участвует в круговороте.
При обычных условиях молекулы кислорода находятся далеко друг от друга и свободно перемещаются, поэтому кислород — газ. Он бесцветен, потому что молекулы O₂ не поглощают заметную часть видимого света; запаха у чистого кислорода тоже нет. Молекула O₂ тяжелее средней молекулы воздуха, поэтому кислород немного плотнее воздуха. Вода притягивает молекулы кислорода слабо, и газ растворяется в ней лишь в небольшом количестве.
В лаборатории кислород выделяют при разложении некоторых веществ: например, перманганата калия KMnO₄, хлората калия KClO₃ или пероксида водорода H₂O₂. Разложение пероксида водорода ускоряет катализатор MnO₂: он помогает реакции идти быстрее, но почти не изменяется. Для больших объёмов лабораторные реакции неудобны, поэтому в промышленности воздух сначала охлаждают до жидкого состояния, а затем разделяют его компоненты по температурам кипения. Так получают кислород и другие газы воздуха.
Кислород поддерживает горение: он вступает в реакцию с горючим веществом, при этом обычно выделяются тепло и свет. Сам кислород в такой реакции не выступает топливом, поэтому говорят, что он поддерживает горение, а не горит. При реакции кислорода с металлом или неметаллом обычно получается оксид — соединение этих двух элементов. Например, при горении серы образуется диоксид серы SO₂, а при реакции магния с кислородом — оксид магния MgO.
Таблица объединяет сведения о составе, свойствах и способах получения кислорода. Сопоставляй характеристику с примером: так легче отличить лабораторный способ от промышленного и вспомнить условия реакций. Числа для температур приведены приблизительно.
| Характеристика | Кислород O₂ | Пример или пояснение |
|---|---|---|
| Формула и относительная молекулярная масса | O₂; Mr = 32 | 16 × 2 = 32 |
| Агрегатное состояние и цвет | Газ, бесцветный | При обычных условиях |
| Запах и растворимость в воде | Без запаха, слабо растворим | Можно собирать над водой |
| Плотность по сравнению с воздухом | Немного больше | Относительная плотность около 1,1 |
| Температуры плавления и кипения | Около −219 °C и −183 °C | Зависит от давления |
| Нахождение в природе | В свободном и связанном виде | Воздух, вода, минералы, органические вещества |
| Лабораторное получение | Разложение веществ | KMnO₄, KClO₃, H₂O₂ |
| Промышленное получение | Из воздуха | Разделение жидкого воздуха |
| Отношение к горению | Поддерживает горение | Сам обычно не горит |
| Реакции с металлами и неметаллами | Обычно образуются оксиды | Mg + O₂ → MgO; S + O₂ → SO₂ |
Задача: дополните уравнение реакции S + O₂ → … и определите тип реакции. В продукте соединяются два элемента — сера и кислород, значит, образуется оксид серы. Обычный продукт горения серы — диоксид серы SO₂. Проверим, одинаково ли число атомов каждого элемента слева и справа.
Ответ: S + O₂ → SO₂; реакция соединения. Уравнение уже уравнено, так как число атомов серы и кислорода до и после реакции совпадает. Это также пример образования оксида при взаимодействии неметалла с кислородом.
Задача: какой объём O₂ при нормальных условиях нужен для полного сгорания 6,4 г серы? Сначала используем уравнение реакции S + O₂ → SO₂, где коэффициенты перед серой и кислородом равны единице. Следовательно, на 1 моль серы требуется 1 моль кислорода. При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает 22,4 л.
Ответ: для полного сгорания 6,4 г серы нужно 4,48 л кислорода при н. у. Равенство количеств вещества следует из коэффициентов уравнения, а не из одинаковых формул веществ. Если коэффициенты отличаются, их соотношение нужно обязательно учитывать.
Задача: при полном разложении 34 г H₂O₂ найти объём кислорода при н. у. Реакция идёт быстрее в присутствии катализатора MnO₂, но катализатор не меняет соотношение реагентов и продуктов. Уравнение нужно уравнять до расчёта, иначе нельзя надёжно определить количество кислорода.
Ответ: образуется 11,2 л O₂ при н. у. Здесь нельзя принять, что из одного моля пероксида получается один моль кислорода: коэффициенты уравнения показывают соотношение 2:1. Катализатор в расчёт массы продукта не включают.
Ошибка: записывать простое вещество как O вместо O₂. Так происходит, когда символ элемента путают с формулой его молекулы. Проверь себя: если речь идёт о газообразном простом веществе, в уравнении обычно стоит O₂, а O обозначает атом или часть формулы соединения.
Ошибка: говорить, что кислород горит. Такое выражение появляется потому, что кислород виден в уравнениях горения рядом с горючим веществом. Проверь формулировку: кислород поддерживает горение, а само горючее реагирует с ним и образует оксид.
Ошибка: неверно составлять или не уравнивать разложение пероксида водорода. Иногда забывают, что кислород выделяется молекулами O₂, или оставляют разное число атомов по сторонам. Запиши 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ и пересчитай атомы: водорода по четыре, кислорода по четыре с каждой стороны.
Ошибка: считать, что воздух полностью состоит из кислорода. Кислород важен для дыхания и горения, поэтому его роль легко переоценить. Проверь себя: основной газ воздуха — азот, кислорода примерно одна пятая часть, а остальное составляют другие газы, включая аргон и углекислый газ.
Перед изучением кислорода нужно различать атом, молекулу, химический элемент и простое вещество, а также уметь составлять формулы и уравнения реакций. Эта тема подготавливает к изучению оксидов, горения, окислительно-восстановительных реакций и свойств других неметаллов. Знания о кислороде помогают объяснить дыхание, коррозию металлов и процессы в металлургии. Его используют при сварке и в промышленном получении веществ.
Почему в воздухе кислород есть, а горение происходит не всегда?
Для горения нужны не только кислород, но и горючее вещество, а также достаточный нагрев. Если хотя бы одного из этих условий нет, горение не начинается или прекращается. В обычном воздухе кислорода достаточно, но горючее не воспламеняется само по себе.
Чем кислород как химический элемент отличается от кислорода как простого вещества?
Химический элемент кислород — это вид атомов с зарядом ядра +8, который обозначают O. Простое вещество кислород состоит из молекул O₂, каждая из которых содержит два таких атома. Атомы кислорода входят и в состав многих сложных веществ.
Почему кислород поддерживает горение, но сам не горит?
При горении горючее вещество реагирует с кислородом, образуя обычно оксид и выделяя энергию. Кислород участвует в этой реакции как окислитель, но сам не является горючим веществом. Поэтому он усиливает горение других веществ, но не горит как топливо.
Зачем при получении кислорода используют катализатор?
Катализатор ускоряет разложение вещества, из которого выделяют кислород, поэтому газ можно получить быстрее. Например, диоксид марганца MnO₂ ускоряет разложение пероксида водорода. Катализатор не расходуется полностью и не входит в состав продуктов реакции.
Почему кислород можно собирать над водой?
Кислород растворяется в воде лишь в небольшом количестве и не реагирует с ней при обычных условиях. Поэтому газ, поступающий в перевёрнутый сосуд, вытесняет из него воду и накапливается. Такой способ подходит для сбора небольших порций кислорода.
§ 24. Кислород
