Бесплатные занятия

Воздух - это смесь газов, состоящая в основном из азота N₂ (78%) и кислорода O₂ (21%). Оставшийся 1% приходится на углекислый газ СО₂, пары воды Н₂О, аргон Ar и совсем незначительные примеси других газов. Обратите внимание: водород Н₂ не является основным компонентом земной атмосферы, а составляет всего 0,00005% её. Все основные компоненты воздуха - бесцветные прозрачные газы без вкуса и запаха.

 

Кислород O₂ - химически активный газ. Это типичный неметалл, он охотно «отбирает» электроны у других веществ, поддерживает горение и дыхание, благодаря чему играет важную роль в жизнедеятельности организмов. Присутствие кислорода в каком-либо сосуде можно доказать по яркому вспыхиванию тлеющей лучины, вносимой в сосуд.

 

«Отбирание» электронов одним атомом у другого называют термином «окисление», произошедшим как раз от названия кислорода (хотя, разумеется, не только кислород может окислять!). Кислород окисляет другие вещества, он – окислитель.

 

Горение - это реакция, сопровождающаяся выделением тепла и света. При горении на воздухе в реакции участвует кислород. Он «отбирает» электроны у других участников реакции горения, т.е. окисляет их. Упрощенная запись реакции горения древесины: С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + Q. Значок «Q» со знаком «+» обозначает выделение энергии в результате реакции.

Дыхание - это комплекс реакций в живых организмах, суммой которых является взаимодействие органических веществ с кислородом, приводящее к образованию углекислого газа и воды. В отличие от горения, эти реакции протекают постепенно, поэтапно и в мягких условиях, а энергия, выделяющаяся на каждом этапе, тратится на обеспечение жизнедеятельности организма. Упрощенная запись суммарной реакции дыхания: С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + Q. Значок «Q» со знаком «+» обозначает выделение энергии в результате реакции. Обратите внимание: эта реакция ничем не отличается от реакции горения древесины (см. «горение»)! Действительно ли это так? По конечному итогу - да. Но по скорости взаимодействия, механизму протекания процесса, динамике выделения энергии - это совсем разные вещи.

Существует баланс кислорода в атмосфере. Кислород потребляется растениями и животными (дыхание), а также затрачивается на процессы горения. Регенерацию кислорода осуществляют растения в процессе фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ – Q.

Обратите внимание: это процесс, фактически обратный горению и дыханию (сравните продукты и реагенты этих процессов)!

Значок «Q» означает энергию. То, что в этой реакции Q имеет знак «минус», значит, что в ее результате энергия поглощается. А откуда она берется? От солнца. Фотосинтез происходит под действием солнечных лучей красной области спектра.

 

Как устроена молекула кислорода?

Что представляет собой кислород?

При обычных условиях кислород - бесцветный газ. Ниже -183^оС он превращается в голубую жидкость, а ниже -219^оС - в синие кристаллы.

Сжиженный кислород:

 Кислород плохо растворим в воде (4,9 мл / 100 г воды при 0^оС). Его можно было бы считать нерастворимым в воде газом, однако роль растворенного кислорода для жизни на Земле столь велика, что пренебречь его растворимостью не получается: рыбы дышат кислородом, растворенным в воде.

Химические свойства кислорода

Кислород – один из самых типичных неметаллов.  

1) Взаимодействие кислорода с простыми веществами

Кислород окисляет почти все простые вещества, кроме инертных газов, галогенов (элементов главной подгруппы VII группы периодической таблицы) и таких неактивных металлов, как золото и платина.

При взаимодействии образуются, как правило, высшие оксиды соответствующих элементов.

Что значит «оксиды»? Это соединения элементов с кислородом, в которых кислород «принял» у своего партнера 2 электрона.

Что значит «высшие»? Это значит, что атом-партнер «отдал» атому кислорода все электроны своего внешнего уровня.

Например:

У фосфора на внешнем слое 5 электронов. Пускай он «отдаст» атомам кислорода все 5 электронов. Но каждый атом кислорода «принимает» не 1, а 2 электрона. Поэтому на 1 атом фосфора в высшем оксиде приходится 2,5 атома кислорода. Неувязочка! Атом – не пирог, его нельзя разделить пополам (методами ядерной физики – можно, но это будут уже не половинки атома кислорода, а совсем другие атомы). А потому возьмем 2 атома фосфора и 5 атомов кислорода. Формула высшего оксида фосфора Р₂О₅. Его называют оксид фосфора (V).

В некоторых случаях образуются не высшие оксиды, а другие продукты, например, такие оксиды, в которых атом-партнер «отдает» атомам кислорода не все свои электроны. Например:

S + O₂ = SO₂;

Видео: горение серы в кислороде

 

N₂ + O₂  2NO
(обратите внимание: реакция обратима – протекает не до конца, это символизируется стрелочками, направленными в разные стороны);

4P + 5O₂ = 2P₂O₅ и 4P + 3O₂ = P₂O₃ (в зависимости от избытка/недостатка кислорода);

С + О₂ = СО₂ и 2С + О₂ = 2СО (в зависимости от избытка/недостатка кислорода);

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (при сравнительно низких температурах) или 4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃ (при высоких температурах).

Реакции со щелочными металлами имеют особенности. Натрий при горении в кислороде образует не оксид, а пероксид – соединение, в котором атом кислорода «принял» не 2 электрона, а 1. Калий образует надпероксид – соединение, в котором атом кислорода «принял» не 2 электрона, а 0,5 (на самом деле, группировка из 2 атомов кислорода «приняла» 1 электрон).

Озон

Под воздействием мягкого ультрафиолетового излучения кислород превращается в другую аллотропную модификацию - озон:

3О₂  2О₃.

Эта реакция обратима. Более жесткое ультрафиолетовое излучение разрушает озон, и он вновь превращается в кислород. Этот процесс происходит на высоте 12-50 км в озоновом слое, предохраняя Землю от опасной ультрафиолетовой радиации.

Озон - газ с резким запахом, в высокой концентрации окрашен в синий цвет. Однако в высоких концентрациях его не получают. Озон ядовит. Озонирование (обработка озоном в малой концентрации) приводит к уничтожению бактерий.

Озон - очень сильный окислитель, сильнее, чем кислород. Он реагирует даже с благородными металлами, серосодержащие и азотсодержащие вещества окисляет до высшей степени окисления (SO₃, N₂O₅). В реакциях озона выделяется кислород:

2NO₂ + O₃ = N₂O₅ + O₂;

2Ag + O₃ = Ag₂O + O₂.

Качественная реакция на содержание озона в воздухе - посинение бумажки, пропитанной раствором иодида калия KI и крахмалом:

O₃ + 2KI + H₂O = 2KOH + O₂ + I₂.

Выделяющийся иод I₂ взаимодействует с крахмалом, образуя характерное соединение синего цвета.

Химические свойства кислорода

В промышленности кислород получают из воздуха, сжижая воздух, а потом подвергая его перегонке. Сейчас в лабораториях используют кислород из баллонов, полученный таким образом.

Однако есть традиционные лабораторные способы получения кислорода, ныне имеющие скорее историческое и дидактическое значение. Правильнее назвать эти способы - как можно получить кислород, если баллона нет под рукой:

1) Термическое (т.е. под действием нагревания) разложение некоторых солей:

- разложение перманганата калия:

2KMnO₄  K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂.

Вот как это делают:

 

Перманганат калия KMnO₄ нагревают в пробирке. Кислород выходит из нее по трубке и пробулькивается в воду. Как его собрать? Взять другую пробирку, налить в нее воды и опустить в воду отверстием вниз, затем подвести отверстие к трубке, из которой выходит кислород. Кислород постепенно вытеснит воду из пробирки.

- разложение хлората калия в присутствии катализатора (обычно катализатором служит оксид марганца (IV) MnO₂):

2KClO₃  2KCl + 3O₂.

- разложение нитрата калия (протекает в заметной степени только при очень высоких температурах, поэтому использовать такой способ неудобно):

2KNO₃  2KNO₂ + O₂.

2) Термическое разложение неустойчивых оксидов:

- разложение оксида свинца (IV):

3PbO₂  Pb₃O₄ + O₂.

- разложение оксида ртути (II) (способ неудачный, т.к. получающийся кислород загрязнн парами ртути):

2HgO  2Hg + O₂.

3) Разложение пероксида водорода в присутствии катализатора (обычно используют MnO₂):

2Н₂О₂  2Н₂О + О₂.

Слабый раствор пероксида водорода используют в медицинских целях для дезинфекции и остановки крови. Когда Вы капаете «перекись» на рану, слышится шипение и выделяются пузырьки газа (будет оказия – совместите приятное с полезным, понаблюдайте!). Это протекает написанная выше реакция. В нашей крови содержится фермент каталаза, который является прекрасным катализатором разложения пероксида водорода (гораздо лучше, чем MnO₂!). Именно атомы кислорода в момент выделения, еще не успевшие объединиться в молекулы, активно окисляют ткани микробов и убивают их.

4) Электролиз водных растворов щелочей, кислот, некоторых солей:

2Н₂О  2Н₂ + О₂.

 

Кислород окисляет многие сложные вещества. При этом, как правило, образуются те же продукты, которые получаются при горении в кислороде простых веществ соответствующих элементов:

CS₂ + 3O₂ = CO₂ + 2SO₂;

C₇H₁₆ + 11O₂ = 7CO₂ + 8H₂О;

С₂Н₅ОН + 3О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О;

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂.

Вещества, содержащие атомы галогенов, дают в продуктах галогеноводород или молекулы галогена:

C₂H₅Cl + 3O₂ = 2CO₂ + 2H₂O + HCl;

4C₂H₅I + 13O₂ = 8CO₂ + 10H₂O + 2I₂.

Азотсодержащие вещества обычно сгорают с образованием молекул азота:

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O.

Однако с помощью катализаторов (веществ, не входящих в уравнение реакции, но влияющих на ее течение) это можно изменить:

2SO₂ + O₂  2SO₃;

4NH₃ + 5O₂   4NO + 6H₂O.

Видео: окисление аммиака на катализаторе Cr₂O₃

Аммиак NH₃ – газ, хорошо растворимый в воде. Его раствором омывают стенки колбы. Он частично испаряется из раствора. Таким образом, в колбе находится смесь воздуха и аммиака. Когда в колбу сбрасывают нагретый оксид хрома (катализатор), на его поверхности происходит реакция окисления аммиака кислородом. Реакция идет с выделением тепла, и оксид хрома раскаляется. Поэтому в колбе виден «дождь» искр.

Оксид азота (II) NO окисляется кислородом при обычных условиях с образованием бурого газа NO₂ – оксида азота (IV):

2NO + O₂ = 2NO₂.

Что представляет собой азот?

Азот – газ без цвета, вкуса и запаха, очень плохо растворимый в воде (при 0^оС всего 2,35 мл / 100 г воды). При -195,8^оС (около 77 К) он сжижается в бесцветную жидкость, а при -210^оС становится неокрашенным твердым веществом.

Жидкий азот широко применяется для охлаждения. Хранят его в сосудах Дьюара. Эти сосуды устроены по принципу термоса, поэтому азот в них долго сохраняется в жидком состоянии.

Сосуды Дьюара:  

 

Интересный факт Предметы, охлажденные в жидком азоте, даже такие, как кусок резины или цветок, становятся хрупкими и легко разбиваются. Это свойство грамотно использовано в фильме «Терминатор-2»: когда киборг из жидкого металла Т-1000 попадает в разлитый из цистерны азот, он разваливается на куски!

Изоэлектронность и угарный газ

В молекуле угарного газа, или оксида углерода (II) СО столько же электронов, сколько в азоте N₂ (проверьте!). Такие вещества называют изоэлектронными. Изоэлектронность – важное понятие, ведь вся химия зависит от электронов. Изоэлектронные вещества похожи по строению и свойствам.

Сравните физические свойства азота со свойствами СО. Угарный газ сжижается при -191,5^оС, затвердевает при -205^оС, растворимость в воде равна 3,5 мл / 100 г воды при 0^оС. Все – почти, как у азота. Немудрено: ведь дисперсионные взаимодействия между их молекулами практически одинаковы из-за одинакового числа электронов. Однако налицо тенденция: молекулы СО взаимодействуют между собой чуть лучше, чем молекулы азота (СО сжижается и затвердевает при слегка более высокой температуре, немного лучше растворим). Почему? Да потому что связь в N₂ неполярная (атомы одинаковы!), а в СО – все-таки полярная (хотя полярность ее и не очень велика).

Молекула СО построена так же, как молекула азота, в ней есть тройная связь.

Угарный газ, как и азот, малоактивен из-за тройной связи.

Интересный факт Несмотря на свою инертность, угарный газ крайне ядовит. Отравление наступает незаметно и сопровождается головокружением и головной болью. Причина отравления – образование очень прочного комплексного соединения СО с железом гемоглобина, из-за чего кровь утрачивает способность переносить кислород. Пожарные оснащены специальными средствами защиты от СО и других ядовитых газов, образующихся при пожаре.

Химические свойства азота

Теоретически атом азота может «отбирать» электроны почти у всех атомов (кроме фтора и кислорода).

Но окислительная способность азота невелика из-за тройной связи в молекуле. Благодаря этому азот малоактивен и в большинстве случаев с успехом заменяет дорогие благородные газы в качестве инертной среды.

При комнатной температуре азот реагирует только с литием:

6Li + N₂ = 2Li₃N.

При нагревании он способен взаимодействовать с другими металлами. При этом образуются нитриды.

При нагревании азот окисляет некоторые неметаллы: водород (в присутствии катализатора и под давлением), углерод, кремний, бор. Например:

2С + N₂  (СN)₂ дициан

 

«Отдать» электроны азот может лишь кислороду и фтору.
Реакция с кислородом обратима и протекает только при высоких температурах или в электрическом разряде. В небольшой степени она протекает в атмосфере при грозовых разрядах. Еще раз обратите внимание, что в результате образуется не высший оксид азота, а оксид азота (II). Поглощением энергии в результате этой реакции (-Q) объясняют резкое похолодание после грозы.

N₂ + O₂2NO – Q.

 

Интересный факт При грозах (в электрическом разряде) и при работе двигателей автомобилей и самолетов в воздухе из кислорода и азота образуются небольшие количества NO. К сожалению, этот оксид легко окисляется до NO2, который при контакте с влагой воздуха образует кислоту и тем самым вносит вклад в проблему кислотных дождей. Увы, совершенствование автомобильных двигателей (использование катализаторов для полного окисления топлива) приводит к тому, что гораздо большая доля соединений азота переходит при сгорании топлива не в безобидный азот, а в оксиды.

 

Углекислый газ СО₂ образуется при горении углеродсодержащих веществ и дыхании живых организмов (а также при разложении карбонатов). Когда-то давно в земной атмосфере было много углекислого газа и почти не было кислорода, но с появлением и развитием растений ситуация изменилась. Сейчас углекислого газа в атмосфере всего 0,04% по объему.

 

Что представляет собой углекислый газ?

Углекислый газ не имеет ни цвета, ни запаха. Он не поддерживает горение. СО₂ малорастворим в воде (171,3 мл / 100 г воды), но все же существенно лучше, чем СО или азот.

Интересный факт Углекислый газ, являясь продуктом жизнедеятельности растений и животных, постоянно присутствует в атмосфере и в организме. Однако при концентрации выше 4% он вызывает болезненные явления, а выше 10% – удушье.

При растворении в воде СО₂ образует слабую угольную кислоту. Реакция обратима и протекает в небольшой степени, т.к. при повышении концентрации угольная кислота разлагается обратно на воду и углекислый газ:

СО₂ + Н₂О  Н₂СО₃.

Это свойство используется для приготовления газированных вод. Углекислый газ под давлением закачивают в воду. Благодаря угольной кислоте газировка приобретает вкус, ощущение лопающихся на языке пузырьков тоже приятно. Почему при открывании газировки выделяются пузырьки? Потому что давление уравнивается с атмосферным, и углекислый газ выходит из раствора. Если бутылку нагреть и/или потрясти, то можно потерять большую часть напитка с пеной.

Некоторые минеральные воды имеют природную газацию: в них растворен углекислый газ, поступающий из горных пород.

При -78,5^оС углекислый газ, минуя жидкое состояние, затвердевает. Раньше твердый углекислый газ использовали для охлаждения мороженого. И не только. Но именно благодаря этому применению он стал известен всем как «сухой лед» - сухой, потому что переходит в газообразное состояние, опять-таки минуя жидкое.

При нормальном давлении сжижить углекислый газ невозможно. Но это можно сделать при повышенном давлении даже при комнатной температуре. В углекислотных огнетушителях содержится жидкий углекислый газ под давлением.

 

Все газы, о которых мы говорили до сих пор – кислород, азот, СО – имеют плотность, почти равную плотности воздуха. Углекислый газ в этом от них отличается: он намного тяжелее воздуха (почти в полтора раза!). Благодаря этому свойству им можно аккуратно наполнить стакан и переливать его из одного стакана в другой. Проделайте такой опыт по «переливанию из пустого в порожнее»! Наличие в стакане углекислого газа можно проверить по гашению горящей лучины.

Интересный факт Будучи тяжелее воздуха, углекислый газ скапливается внизу пещер. Недалеко от Неаполя существует Собачья пещера (пещера Канини), в которую человек может зайти свободно, а собаки погибают. Стоит наклониться к четвероногому другу - и человек тоже теряет сознание. Концентрация углекислого газа в этой пещере в приземном слое воздуха около 77%. Такие же пещеры есть в Чехии, Иране, США.

Химические свойства углекислого газа

СО₂ малоактивен химически. С главным его свойством – образовывать кислоту в реакции с водой – Вы уже знакомы. Подробнее о кислотных свойствах углекислого газа мы поговорим позже.

 

Получение углекислого газа

1) Окисление углерода и углеродсодержащих веществ:

С + О₂ = СО₂ + Q;

2C₈H₁₈ + 25 O₂ = 16CO₂ + 18H₂O + Q.

2) Взаимодействие карбонатов (солей угольной кислоты) с сильными кислотами:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂­ + H₂O.

Эту реакцию можно представить как комбинацию обмена составными частями между карбонатом кальция и соляной кислотой (1) и разложения образовавшейся неустойчивой угольной кислоты (2):

(1)  CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + Н₂СО₃;

(2)  Н₂СО₃ = CO₂­ + H₂O.

3) Термическое разложение карбонатов:

СаСО₃  СаО + СО₂­↑.