Что образуют атомы кислорода
Кислород: химия кислорода
Кислород
Положение в периодической системе химических элементов
Кислород расположен в главной подгруппе VI группы (или в 16 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение кислорода
Электронная конфигурация кислорода в основном состоянии :
+8O 1s 2 2s 2 2p 4 1s 
2s 2p 
Атом кислорода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 2 неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии.
Физические свойства и нахождение в природе
Озон О3 — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода.
Кислород — это самый распространённый в земной коре элемент. Кислород входит в состав многих минералов — силикатов, карбонатов и др. Массовая доля элемента кислорода в земной коре — около 47 %. Массовая доля элемента кислорода в морской и пресной воде составляет 85,82 %.
В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе.
Способы получения кислорода
В промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха.
Лабораторные способы получения кислорода:
Разложение перманганата калия:
Разложение бертолетовой соли в присутствии катализатора MnO2 :
2KClO3 → 2KCl + 3O2
Разложение пероксида водорода:
2HgO → 2Hg + O2
Соединения кислорода
| Степень окисления | Типичные соединения |
| +2 | Фторид кислорода OF2 |
| +1 | Пероксофторид кислорода O2F2 |
| -1 | Пероксид водорода H2O2 Пероксид натрия Na2O2 и др. |
| -2 | Вода H2O Оксиды металлов и неметаллов Na2O, SO2 и др. Соли кислородсодержащих кислот Кислородсодержащие органические вещества Основания и амфотерные гидроксиды |
Химические свойства
При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.
1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:
С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.
1.2. Кислород реагирует с серой и кремнием с образованием оксидов:
1.3. Фосфор горит в кислороде с образованием оксидов:
При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):
Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):
1.4. С азотом кислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000 о С), образуя оксид азота (II):
N2 + O2→ 2NO
1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием и алюминием кислород также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:
2Ca + O2 → 2CaO
Однако при горении натрия в кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:
2Na + O2→ Na2O2
А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:
K + O2→ KO2
Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.
Цинк окисляется до оксида цинка (II):
2Zn + O2→ 2ZnO
2Fe + O2→ 2FeO
4Fe + 3O2→ 2Fe2O3
3Fe + 2O2→ Fe3O4
при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:
2C + O2 → 2CO
Алмаз горит при высоких температурах:
Горение алмаза в жидком кислороде:
Графит также горит:
Графит также горит, например, в жидком кислороде:
Графитовые стержни под напряжением:
2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:
4FeS + 7O2→ 2Fe2O3 + 4SO2
Ca3P2 + 4O2→ 3CaO + P2O5
2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:
2H2S + 3O2→ 2H2O + 2SO2
Аммиак горит с образованием простого вещества, азота:
4NH3 + 3O2→ 2N2 + 6H2O
Аммиак окисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):
4NH3 + 5O2→ 4NO + 6H2O
CS2 + 3O2→ CO2 + 2SO2
2CO + O2→ 2CO2
2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.
Кислород окисляет азотистую кислоту :
2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:
CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O
2CH4 + 3O2→ 2CO + 4H2O
CH4 + O2→ C + 2H2O
Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)
Кислород
Газ без цвета, без запаха, составляет 21% воздуха.
Общая характеристика элементов VIa группы
От O к Po (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону.
Основное состояние атома кислорода
У атома кислорода (как и атомы азота, фтора, неона) нет возбужденного состояния, так как отсутствует свободная орбиталь с более высоким энергетическим уровнем, куда могли бы перемещаться валентные электроны.
Атом кислорода имеется два неспаренных электрона, максимальная валентность II.
Природные соединения
Получение
В промышленности кислород получают из сжиженного воздуха. Также активно применяются кислородные установки, мембрана которых устроена как фильтр, отсеивающие кислород (мембранная технология).
В лаборатории кислород получают разложением перманганата калия (марганцовки) или бертолетовой соли при нагревании. Применяется реакция каталитического разложения пероксида водорода.
На подводных лодках для получения кислорода применяют следующую реакцию:
Химические свойства
Является самым активным неметаллом после фтора, образует бинарные соединения со всеми элементами кроме гелия, неона, аргона. Чаще всего реакции с кислородом экзотермичны (горение), ускоряются при повышении температуры.
Во всех реакциях, кроме взаимодействия со фтором, кислород проявляет себя в качестве окислителя.
F + O2 → OF2 (фторид кислорода, O +2 )
В реакциях кислорода с металлами образуются оксиды, пероксиды и супероксиды. Реакции с активными металлами идут без нагревания.
Известна реакция горения воды во фторе.
Все органические вещества сгорают с образованием углекислого газа и воды.
Процесс можно остановить на любой стадии в зависимости от желаемого результата.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Кислород, свойства атома, химические и физические свойства
Кислород, свойства атома, химические и физические свойства.
15,99903-15,99977* 1s 2 2s 2 2p 4
Кислород — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 8. Расположен в 16-й группе (по старой классификации — главной подгруппе шестой группы), втором периоде периодической системы.
Атом и молекула кислорода. Формула кислорода. Строение кислорода:
Кислород – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением О и атомным номером 8. Расположен в 16-й группе (по старой классификации — главной подгруппе шестой группы), втором периоде периодической системы.
Кислород самый лёгкий элемент периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева из группы халькогенов.
Кислород – химически активный неметалл.
Кислород обозначается символом О.
Как простое вещество кислород (химическая формула O2) при нормальных условиях представляет собой двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха. В жидком состоянии кислород имеет светло-голубой цвет, а в твёрдом – представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
Молекула кислорода двухатомна. Также встречается аллотропная модификация кислорода – озон, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода.
Химическая формула кислорода O2 (или O3 – озон).
Строение атома кислорода. Атом кислорода (наиболее распространенный из трех изотопов кислорода (99,757 %) – 16 8О) состоит из положительно заряженного ядра (+8), вокруг которого по атомным оболочкам движутся восемь электронов. При этом 2 электрона находятся на внутреннем уровне, а 6 электронов – на внешнем. Поскольку кислород расположен во втором периоде, оболочки всего две. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внешняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Два спаренных электрона находится на 1s-орбитали, вторая пара электронов – на 2s-орбитали. На 2р-орбитали находится два спаренных и два неспаренных электрона. Поэтому во всех своих соединениях кислород проявляет валентность II. В свою очередь ядро атома кислорода состоит из восьми протонов и восьми нейтронов. Кислород относится к элементам p-семейства.
Радиус атома кислорода (вычисленный) составляет 48 пм.
Атомная масса атома кислорода составляет 15,99903-15,99977 а. е. м.
Кислород – самый распространённый химический элемент на Земле. В земной коре на его долю в составе различных соединений приходится около 46 % массы. Морские и пресные воды содержат по массе 86 % кислорода (если быть точнее – 85,82 %). В человеке его содержание составляет по массе 61 %. В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,9476 % по объёму и 23,15 % по массе. На Солнце – 0,9 %, а во Вселенной – 1 %.
При высокой температуре молекула кислорода О2 обратимо диссоциирует на атомарный кислород. При 2000 °C на атомарный кислород диссоциирует 0,03 % молекулярного кислорода, при 2600 °C – 1 %, при +4000 °C – 59 %, при 6000 °C — 99,5 %.
Изотопы и модификации кислорода:
Свойства кислорода (таблица): температура, плотность, давление и пр.
| 100 | Общие сведения* | |
| 101 | Название | Кислород |
| 102 | Прежнее название | |
| 103 | Латинское название | Oxygenium |
| 104 | Английское название | Oxygen |
| 105 | Символ | О |
| 106 | Атомный номер (номер в таблице) | 8 |
| 107 | Тип | Неметалл |
| 108 | Группа | |
| 109 | Открыт | Карл Вильгельм Шееле, Швеция, 1771 г., Джозеф Пристли, Великобритания, 1 августа 1774 г. |
| 110 | Год открытия | 1771 г. |
| 111 | Внешний вид и пр. | Газ без цвета, запаха и вкуса |
| 112 | Происхождение | Природный материал |
| 113 | Модификации | |
| 114 | Аллотропные модификации | 4 аллотропные модификации, обусловленные различным составом молекул: – ε-кислород (O4 или O8) с простой моноклинной кристаллической решёткой, – ζ-кислород, металлическая фаза кислорода (On). 4 аллотропные модификации кислорода (O2), отличающихся строением кристаллической решётки: – α-кислород (α-O2) с простой моноклинной кристаллической решёткой, – β-кислород (β-O2) с ромбоэдрической (тригональной) кристаллической решёткой, – γ-кислород (γ-O2) с простой кубической кристаллической решёткой, – δ-кислород (δ-O2) |
| 115 | Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга | |
| 116 | Конденсат Бозе-Эйнштейна | |
| 117 | Двумерные материалы | |
| 118 | Содержание в атмосфере и воздухе (по массе) | 23,15 % |
| 119 | Содержание в земной коре (по массе) | 46 % |
| 120 | Содержание в морях и океанах (по массе) | 86 % |
| 121 | Содержание во Вселенной и космосе (по массе) | 1 % |
| 122 | Содержание в Солнце (по массе) | 0,9 % |
| 123 | Содержание в метеоритах (по массе) | 40 % |
| 124 | Содержание в организме человека (по массе) | 61 % |
| 200 | Свойства атома | |
| 201 | Атомная масса (молярная масса)* | 15,99903-15,99977 а. е. м. (г/моль) |
| 202 | Электронная конфигурация | 1s 2 2s 2 2p 4 |
| 203 | Электронная оболочка | K2 L6 M0 N0 O0 P0 Q0 R0
|
| 204 | Радиус атома (вычисленный) | 48 пм |
| 205 | Эмпирический радиус атома | 60 пм |
| 206 | Ковалентный радиус* | 73 пм |
| 207 | Радиус иона (кристаллический) | O 2- 140,9755(3) кДж/моль (1,461108(4) эВ) –кислород 17 O, 140,9752(3) кДж/моль (1,461105(3) эВ) –кислород 18 O |
| 400 | Физические свойства | |
| 401 | Плотность* | 0,001429 г/см 3 (при 20 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – газ), 0,00142897 г/см 3 (при 0 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – газ), 0,027 Вт/(м·К) (при 300 K) |
| 500 | Кристаллическая решётка | |
| 511 | Кристаллическая решётка #1 | α-кислород (α-O2) |
| 512 | Структура решётки | Простая моноклинная
|
| 513 | Параметры решётки | a = 5,403 Å, b = 3,429 Å, c = 5,086 Å, β = 135,53° |
| 514 | Отношение c/a | |
| 515 | Температура Дебая | 155 К |
| 516 | Название пространственной группы симметрии | C12/m1 |
| 517 | Номер пространственной группы симметрии | 12 |
| 521 | Кристаллическая решётка #2 | β-кислород (β-O2) |
| 522 | Структура решётки | Ромбоэдрическая (тригональная)
|
| 523 | Параметры решётки | a = 4,21 Å, α = 46,25° |
| 524 | Отношение c/a | |
| 525 | Температура Дебая | |
| 526 | Название пространственной группы симметрии | |
| 527 | Номер пространственной группы симметрии | |
| 531 | Кристаллическая решётка #3 | γ-кислород (γ-O2) |
| 532 | Структура решётки | Простая кубическая
|
| 533 | Параметры решётки | a = 6,83 Å |
| 534 | Отношение c/a | |
| 535 | Температура Дебая | |
| 536 | Название пространственной группы симметрии | |
| 537 | Номер пространственной группы симметрии | |
| 900 | Дополнительные сведения | |
| 901 | Номер CAS | 7782-44-7 |
100* Данные в таблице приводятся применительно к кислороду (O2).
201* Указан диапазон значений атомной массы в связи с различной распространённостью изотопов данного элемента в природе.
206* Ковалентный радиус кислорода согласно [1] составляет 66±2 пм.
401* Плотность кислорода согласно [1] составляет 0,001429 г/см 3 (при 0 °C и иных стандартных условиях , состояние вещества – газ).
407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл) кислорода согласно [4] составляет 0,446 кДж/моль.
408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) кислорода согласно [3] и [4] составляет 3,4099 кДж/моль и 6,828 кДж/моль соответственно.
410* Молярная теплоемкость кислорода согласно [3] составляет 29,4 Дж/(K·моль).
Урок 16. Кислород и озон
В уроке 16 «Кислород и озон» из курса «Химия для чайников» мы рассмотрим кислород как химический элемент и как простое вещество; узнаем об истории его открытия; выясним, что такое озон и какими свойствами он обладает.
Исторически так сложилось, что химический элемент и одно из простых веществ, образованных атомами этого элемента, имеют общее название — кислород. Поскольку между этими понятиями существует принципиальная разница, следует четко различать, о чем идет речь — о кислороде как о химическом элементе или о простом веществе.
Кислород как химический элемент
Самым первым химическим элементом, к изучению которого мы приступаем, является кислород. Как вы уже знаете, химический знак кислорода — О. Относительная атомная масса кислорода равна 16:
Позднее вы узнаете, какое строение имеет атом кислорода и чем он отличается от атомов других химических элементов.
Когда говорят о кислороде как о химическом элементе, то подразумевают атомы кислорода. Например: «В состав многих сложных веществ входит кислород», «Массовая доля кислорода в глюкозе равна 53,3 %». В этих примерах речь идет об атомах кислорода (О), которые наряду с атомами других химических элементов входят в состав сложных веществ, следовательно, в данном случае речь идет о кислороде как о химическом элементе.
Кислород как простое вещество
Простое вещество кислород существует в виде молекул. Молекула кислорода состоит из двух атомов химического элемента кислорода (рис. 73), поэтому химическая формула кислорода как простого вещества — O2.
Поскольку относительная атомная масса кислорода равна 16, то относительная молекулярная масса простого вещества кислорода равна:
Следовательно, молярная масса кислорода равна:
Как у всех газов, молярный объем кислорода при нормальных условиях равен:
Когда говорят о кислороде как о простом веществе, то подразумевают вещество, имеющее формулу О2. Например: «Железные изделия быстро ржавеют в атмосфере влажного кислорода», «Для горения древесины необходим кислород». В этих примерах речь идет о веществе, имеющем формулу О2.
История открытия кислорода
История открытия самого важного для человека газа была долгой и запутанной. Впервые об открытии кислорода было сообщено в 1774 г. английским химиком Дж. Пристли. Он получил его при нагревании вещества HgO. Однако Дж. Пристли в то время не понял, что он получил новое газообразное вещество, и считал его разновидностью воздуха. Еще раньше в 1772 г. кислород был получен К. Шееле, но сообщение об этом он опубликовал только в 1777 г.
В 1774 г. Дж. Пристли сообщил о своих результатах великому французскому химику А. Лавуазье. Он тут же начал свои опыты и уже в 1775 г. сделал в Академии наук доклад «Мемуар о природе вещества, соединяющегося с металлами при прокаливании и увеличивающего их вес».
Происхождение названия «кислород» связано с образованием кислот в результате растворения в воде некоторых сложных веществ, содержащих атомы этого элемента. А. Лавуазье считал, что кислород — это обязательная составная часть всех кислот, что он «рождает» кислоты. Чтобы подчеркнуть это, А. Лавуазье в 1779 г. назвал этот газ «рождающим кислоты», или сокращенно — кислородом.
Кроме кислорода, существует еще одно простое вещество, молекулы которого состоят только из атомов кислорода. Это озон, молекула которого содержит три атома кислорода (рис. 74), его формула — О3.
При нормальных условиях озон представляет собой газ с резким раздражающим запахом. Он очень токсичен для всех живых организмов и поэтому используется вместо хлора для обеззараживания воды.
Небольшие количества озона образуются в воздухе во время грозы, а также в результате взаимодействия смолы хвойных деревьев с кислородом. Озон оказывает губительное действие на бактерии, поэтому лесной воздух (особенно в хвойных лесах) обладает целебным действием.
В небольших количествах озон образуется также при работе копировальных аппаратов и лазерных принтеров. Использовать такие приборы следует только в хорошо проветриваемых помещениях.
В верхних слоях атмосферы Земли (на высоте примерно 30—40 км) существует озоновый слой. Содержащийся в нем озон образуется из кислорода под воздействием солнечного излучения. Некоторые компоненты этого излучения губительны для живых организмов и растений на нашей планете, а озоновый слой поглощает их. Если бы не было озонового слоя, то жизнь на Земле постепенно бы прекратилась.
Многие ученые считают, что вещества, образующиеся в процессе производственной деятельности человека, разрушают озоновый слой. Это прежде всего фреоны — соединения, использующиеся в холодильных установках и дезодорантах, выбросы реактивных самолетов и ракет. Попадая в озоновый слой, эти вещества приводят к уменьшению его толщины или даже разрыву этого слоя — образованию так называемых озоновых дыр. В результате образования и увеличения размеров озоновых дыр могут наступить серьезные экологические катастрофы.
Применение кислорода
Кислород очень широко применяется в народном хозяйстве. На рисунке 75 приведены основные области применения кислорода. Главными потребителями кислорода являются металлургическая промышленность (выплавка стали), космическая техника (окислитель ракетного топлива), процессы обработки металлов (сварка и резка металлов).
Краткие выводы урока:
Надеюсь урок 16 «Кислород и озон» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.