Строение атома кислорода и схема электронной оболочки элемента

Кислород

Кислород (O, лат. oxygenium) — химический элемент 16-й группы (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе VI группы, или к группе VIA), второго периода периодической системы, с атомным номером 8. Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Как простое вещество при нормальных условиях представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.

Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3).

История открытия

Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).

2HgO →ot  2Hg + O2↑

Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.

Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.

Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория. Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожжённых элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.

Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.

Происхождение названия

Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр. oxygene), предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.

Плотность, теплоемкость, свойства кислорода O2

В таблице представлены теплофизические свойства кислорода такие, как плотность, энтальпия, энтропия, удельная теплоемкость, динамическая вязкость, коэффициент теплопроводности. Свойства в таблице даны для газообразного кислорода, находящегося при атмосферном давлении, в зависимости от температуры в интервале от 100 до 1300 К.

Плотность кислорода равна 1,329 кг/м3при комнатной температуре. При нагревании кислорода, его плотность уменьшается. Теплопроводность кислорода равна 0,0258 Вт/(м·град) при комнатной температуре и при повышении температуры этого газа увеличивается.

Читайте также:  Смешивание растворов

Удельная теплоемкость кислорода при комнатной температуре равна 919 Дж/(кг·град). Теплоемкость кислорода увеличивается при росте его температуры. Также при нагревании кислорода увеличиваются значения таких его свойств, как энтальпия, энтропия и вязкость.

Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100.

 

 

Теплопроводность кислорода в жидком и газообразном состояниях

В таблице приведены значения коэффициента теплопроводности кислорода в жидком и газообразном состояниях при различных температурах и давлениях. Теплопроводность указана в интервале температуры от 80 до 1400 К и давления от 1 до 600 атм.

Значения теплопроводности в таблице, находящиеся выше черты, относятся к жидкому кислороду, а ниже ее — к газообразному. По данным таблицы видно, что теплопроводность жидкого кислорода выше, чем газообразного и при росте давления увеличивается.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице дана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000. Размерность Вт/(м·град).

 

 

 

Электронное строение кислорода

Электронная конфигурация  кислорода в основном состоянии:

+8O 1s22s22p4     1s Строение атома кислорода и схема электронной оболочки элемента
2s  Строение атома кислорода и схема электронной оболочки элемента
2p  Строение атома кислорода и схема электронной оболочки элемента

Атом кислорода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 2 неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии.

Атомная и молекулярная масса кислорода

Масса атома кислорода получена с учетом количества и распространения трех его природных изотопов: Ar (О) = 15,999 (в а. е. м.). В расчетах это значение обычно округляют, получается 16. Для каждого элемента его атомная масса — постоянная величина. По известной массе атомов элемента с порядковым номером 8 может быть найдена молярная масса элемента кислорода. М(О) = 16. Еще одна безразмерная физическая величина — молекулярная масса кислорода — относится к простому веществу. Вычисляют массу молекулы кислорода, умножив массу атома на стехиометрический коэффициент в формуле: Mr(O2) = Ar (О) . 2 = 16 . 2 = 32. На практике нет необходимости выяснять, какая молярная масса кислорода, ведь ее значение численно равно массе молекулы вещества, но с единицей измерения г/моль. Для конкретного соединения его молекулярная масса является постоянной величиной, широко используется при расчетах количества и массы вещества.

молярная масса молекулы кислорода

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание Рассчитайте массу кислорода, который будет получен при разложении оксида ртути (II) массой 65,1 г.
Решение Запишем уравнение химической реакции разложения оксида ртути (II):

2HgO = 2Hg + 2O2.

Найдем количество вещества оксида ртути (II), вступившего в реакцию (молярная масса равна 217 г/моль):

n = m / M;

n(HgO) = m(HgO) / M(HgO);

n(HgO) = 65,1 / 217 = 0,3моль.

Согласно уравнению реакции n(HgO) : n(O2) = 1:1, т.е. n(HgO) = n(O2) = 0,3 моль. Рассчитаем массу выделившегося кислорода (молярная масса равна 32 г/моль):

m = n × M;

m(O2) = n(O2) × M(O2);

m(O2) = 0,3 × 32 = 9,6 г.

Ответ Масса кислорода равна 9,6 г

ПРИМЕР 2

Задание В каком случае будет получено больше кислорода: при разложении 5 г хлората калия или при разложении 5 г перманганата калия?
Решение Запишем уравнения реакций разложения хлората калия и перманганата калия:

2KClO3 = 2KCl + 3O2↑ (1);

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2↑ (2).

Найдем количество вещества хлората калия (молярная масса равна – 122,55 г/моль):

n = m / M;

n(KClO3) = m(KClO3) / M(KClO3);

n(KClO3) = 5 / 122,55= 0,04 моль.

Согласно уравнению реакции (1)

n(KClO3) : n(O2) = 2:3;

n(O2) = 3/2×n(KClO3);

n(N2) = 3/2×0,04 = 0,06моль.

Рассчитаем массу выделившегося кислорода (молярная масса равна 32 г/моль):

m = n × M;

m(O2) = n(O2) × M(O2);

m(O2) = 0,06 × 32 = 1,92 г.

Найдем количество вещества перманганата калия (молярная масса равна – 158,03 г/моль):

n = m / M;

n(KMnO4) = m(KMnO4) / M(KMnO4);

n(KMnO4) = 5 / 158,03= 0,03моль.

Согласно уравнению реакции (2)

n(KMnO4) : n(O2) = 2:1;

n(O2) = 1/2×n(KMnO4);

n(N2) = 1/2×0,03 = 0,015моль.

Рассчитаем массу выделившегося кислорода (молярная масса равна 32 г/моль):

m = n × M;

m(O2) = n(O2) × M(O2);

m(O2) = 0,015 × 32 = 0,48 г.

Ответ Масса кислорода, выделяющегося при разложении 5 г хлората калия больше (1,92 г), чем при разложении аналогичного количества перманганата калия (0,48 г).

Физические свойства и нахождение в природе

Кислород О2 — газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. Плохо растворим в воде. Жидкий кислород – голубоватая жидкость, кипящая при -183оС.

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.

Термическая диссоциация

Важный лабораторный метод получения кислорода, предложенный Дж.Пристли, заключается в термическом разложении оксидов тяжелых металлов: 2HgO ® 2Hg + O2. Пристли для этого фокусировал солнечные лучи на порошок оксида ртути. Известным лабораторным методом является также термическая диссоциация оксосолей, например хлората калия в присутствии катализатора – диоксида марганца:

Диоксид марганца, добавляемый в небольших количествах перед прокаливанием, позволяет поддерживать требуемую температуру и скорость диссоциации, причем сам MnO2 в процессе не изменяется.

Используются также способы термического разложения нитратов:

а также пероксидов некоторых активных металлов, например:

2BaO2® 2BaO + O2

Последний способ одно время широко использовался для извлечения кислорода из атмосферы и заключался в нагревании BaO на воздухе до образования BaO2 с последующим термическим разложением пероксида. Способ термического разложения сохраняет свое значение для получения пероксида водорода.

НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА
Атомный номер 8
Атомная масса 15,9994
Температура плавления, °С –218,4
Температура кипения, °С –183,0
Плотность
твердый, г/см3 (при tпл) 1,27
жидкий г/см3 (при tкип) 1,14
газообразный, г/дм3 (при 0° С) 1,429
относительная по воздуху 1,105
критическаяа, г/см3 0,430
Критическая температураа, °С –118,8
Критическое давлениеа, атм 49,7
Растворимость, см3/100 мл растворителя
в воде (0° С) 4,89
в воде (100° С) 1,7
в спирте (25° С) 2,78
Радиус, Å 0,74
ковалентный 0,66
ионный (О2–) 1,40
Потенциал ионизации, В
первый 13,614
второй 35,146
Электроотрицательность (F = 4) 3,5
а Температура и давление, при которых плотность газа и жидкости одинаковы.

Химические свойства кислорода

Существует два способа получения кислорода:

  • разложение химических соединений (в лаборатории чаще всего кислород получают разложением перманганата калия или пероксида водорода)
  • выделение кислорода из воздуха.

способ получения кислорода
способ получения кислорода

Качественной реакцией на кислород является его способность зажигать тлеющую лучину.

Качественной реакцией на кислород является его способность зажигать тлеющую лучину

Кислород – очень активное вещество, при нормальных условиях он взаимодействует почти со всеми простыми веществами, кроме нескольких.

В чистом кислороде горят даже на первый взгляд негорючие материалы, например, железо.

Кислород – очень активное вещество

Только проводить этот опыт надо, предварительно договорившись со взрослыми, и обязательно под их контролем!

Помните: любой химический эксперимент всегда таит в себе множество опасностей! Поэтому присутствие взрослого человека обязательно!

Возьмите небольшое количество (около 5 мл) пероксида водорода в стеклянном стаканчике и всыпьте в него перманганат калия (марганцовку) на кончике ножа.

Помните, что перманганата калия требуется минимальное количество, а также то, что в ходе этой реакции выделяется большое количество тепла!

Теперь, если внести в стакан почти погасшую лучину (спичку), то она ярко вспыхнет.

Поэтому делать это нужно аккуратно, лучше взять лучину подлиннее.

Реакции взаимодействия веществ с кислородом называются реакциями окисления.

Сложные вещества, состоящие из атомов двух химических элементов, один из которых – кислород, называются оксидами.

В этом правиле есть единственное исключение: соединения кислорода и фтора называются фторидами кислорода, поскольку окислителем («отнимающим электроны») здесь является не кислород, а химически более активный фтор.

Многие оксиды имеют собственные («тривиальные») названия.

Наиболее часто встречающиеся нам в обыденной жизни оксиды приведены в таблице.

Химическая формула Систематическое название Тривиальное название
H2O Оксид водорода Вода
H2O2 Пероксид водорода Перекись водорода
CO Оксид углерода (II) Угарный газ
CO2 Оксид углерода (IV) Углекислый газ
N2O Оксид азота (I) Веселящий газ
Al2O3 Оксид алюминия Корунд
SiO2 Оксид кремния (IV) Песок
SO2 Оксид серы (IV) Сернистый газ
CaO Оксид кальция Негашеная известь

Кислород также способен окислять и сложные вещества.

В абсолютном большинстве случаев подобные реакции сопровождаются выделением большого количества энергии в виде света и тепла – это реакции горения.

Надо помнить, что кислород поддерживает горение, а не горит сам.

Реакции горения

Общим для рассмотренных нами реакций является то, что при их протекании выделяется много света и теплоты. Очень многие вещества именно так взаимодействуют между собой.

Рассмотренные выше реакции простых веществ серы, фосфора, углерода и железа с кислородом являются реакциями горения.

Реакциями горения называются химические реакции, протекающие с выделением большого количества теплоты и света.

Кроме простых веществ, в кислороде горят и многие сложные вещества, например метан CH4. При горении метана образуются углекислый газ и вода:

реакции горения

В результате этой реакции выделяется очень много теплоты. Вот почему ко многим домам подведен природный газ, основным компонентом которого является метан. Теплота, выделяющаяся при горении метана, используется для приготовления пищи и других целей.

На заметку: Некоторые химические реакции протекают очень быстро. Такие реакции называют взрывными или просто взрывами. Например, взаимодействие кислорода с водородом может протекать в форме взрыва.

Горение может протекать не только в кислороде, но и в других газах. Об этих процессах вы узнаете при дальнейшем изучении химии.

Способы получения кислорода

В промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха.

Лабораторные способы получения кислорода:

  • Разложение некоторых кислородосодержащих веществ:

Разложение перманганата калия:

2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2

Разложение бертолетовой соли в присутствии катализатора  MnO2:

2KClO3 → 2KCl + 3O2

Разложение пероксида водорода в присутствии оксида марганца (IV):

2H2O2 →  2H2O + O2

2HgO → 2Hg + O2

2KNO3 → 2KNO2 + O2

Биологическая роль кислорода

Аварийный запас кислорода в бомбоубежище
Аварийный запас кислорода в бомбоубежище

Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом. Широко используется кислород в медицине. При сердечно-сосудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном. Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.

Токсические производные кислорода

Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие, как синглетный кислород, пероксид водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются высокотоксичными продуктами. Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.

Токсичность кислорода

Длительное вдыхание чистого кислорода может иметь опасные последствия для организма. Безопасно длительно дышать при обычном давлении смесями, содержащими до 60 % кислорода. Дыхание 90 % кислородом в течение 3 суток приводит к тахикардии, рвоте, пневмонии, судорогам. При повышении давления токсическое действие кислорода ускоряется и усиливается. Молодые люди более чувствительны к токсическому действию кислорода, чем пожилые.

Применение кислорода

Кислород в промышленности получают фракционной перегонкой воздуха.

Применяется он везде: от медицины для дыхания тяжелобольных до окислителя ракетного топлива.

Хранят и перевозят кислород в баллонах голубого цвета.

Кислород применяется везде

На схеме приведены лишь основные сферы применения кислорода, на деле их гораздо больше.

Более 60 % производимого в промышленности кислорода потребляет металлургия – он используется для выплавки металлов из руды.

Через нагретую до высокой температуры смесь руды и кокса продувают кислород, в результате чего природная руда: сульфиды и более сложные соединения металлов превращаются в оксиды, из которых извлечь чистый металл гораздо проще.

Кокс – это каменный уголь, прокаленный без доступа воздуха.

Химически представляет собой почти чистый углерод

Кислородные коктейли широко используются в санаториях и домах отдыха в качестве тонизирующего средства, для повышения иммунитета.

На подводных лодках используют три различных источника кислорода: сжиженный кислород в баллонах, электролиз морской воды, из пероксида калия.

Последняя реакция особенно интересна тем, что пероксид калия реагирует с углекислым газом с выделением кислорода:

пероксид калия реагирует с углекислым газом с выделением кислорода

Этот способ применяется чаще остальных, потому что баллоны – это дополнительная масса, а при электролизе воды выделяется также взрывоопасный водород.

Источники
  • https://chem.ru/kislorod.html
  • http://thermalinfo.ru/svojstva-gazov/neorganicheskie-gazy/plotnost-teploprovodnost-teploemkost-kisloroda
  • https://chemege.ru/kislorod/
  • https://FB.ru/article/142719/molyarnaya-massa-kisloroda-chemu-ravna-molyarnaya-massa-kisloroda
  • http://ru.solverbook.com/spravochnik/ximiya/molyarnaya-massa/molyarnaya-massa-kisloroda/
  • https://www.krugosvet.ru/enc/himiya/kislorod
  • https://ladle.ru/education/himia/8class/kislorod
  • https://himi4ka.ru/arhiv-urokov/urok-18-fizicheskie-i-himicheskie-svojstva-kisloroda.html
  • https://wiki2.org/ru/%D0%9A%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4

Ваша оценка?

Петр Иваныч
Петр Иваныч
Возможно этот человек ответит на ваши вопросы
Задать вопрос
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Всё о химии
Adblock
detector