Хімічні властивості кисню - малюнок

Хімічні властивості кисню — характеристика, будова, реакції



У 1772 році шведський хімік Шеєле відкрив елемент кисень. Хімічні властивості цієї речовини виявилися воістину унікальними: кисень реагує практично з усіма металами (крім золота і платини), взаємодіє з неметалами, органічними і неорганічними речовинами.

Пізніше, в 1774 році, це ж довів і англійський вчений Прістлі.

Хімічні властивості кисню

Знаходження в природі та фізичні властивості

Кисень (формула O2) – це елемент, який найбільш поширений в земній корі (його ваговий вміст становить 49,13%). Також він міститься в повітрі, де його 23%, входить до складу води (88,9%), у всіх оксидах і кисневмісних солях.

Загальна характеристика кисню при звичайних умовах:

  • безбарвний газ;
  • не має запаху;
  • погано розчинний у воді (як і в інших розчинниках);
  • зріджується при -183 °C, а твердне при -219°C.

Примітно, що в рідкому і твердому стані O2 набуває колір: він стає блакитним. А ще він притягується магнітом.

У таблиці періодичної системи кисень знаходиться в головній підгрупі (класі) VI групи. Елементи, розташовані тут, на зовнішньому електронному шарі мають по 6 електронів, тому можуть або приєднувати 2 електрони, або (крім кисню) віддавати 4 або 6 електронів. Саме цим і пояснюються їх фізичні та хімічні властивості.

При нормальних умовах чистий кисень малоактивний, але в присутності води його реакційна здатність посилюється. Реакції, які протікають за участю кисню, називаються горінням. До цього процесу відноситься і іржавіння, а також дихання (повільне горіння).

Примітка: хімічна сутність дихання полягає в з’єднанні вуглецю і водню органічних речовин з киснем.

Хімічні властивості кисню2

Хімічні характеристики та сполуки

З точки зору хімії кисень – це типовий активний неметал. У всіх з’єднаннях він проявляє ступінь окислення -2 (виняток — реакції з фтором).

Як може протікати взаємодія речовин з киснем:

  • Рівняння взаємодії з металами. 2Ca + O2 → 2CaO (оксид кальцію або негашене вапно); 4AL + 3O2 → 2Al2O3.
  • Реакції з неметалами – в результаті утворюються несолетворні оксиди. S + O2 → SO2 (сірчистий газ); N2 + O2 → 2NO (окис азоту).

Крім цих речовин, кисень добре вступає в реакції з органічними і неорганічними сполуками (з сіркою, вуглецем, сульфідами металів — тобто зі сполуками, які горять в атмосфері O2). Зі складними речовинами взаємодія буде протікати за планом (реакції горіння):

  • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.
  • 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3.

Довідка: в атомарному стані елемент більш активний, ніж в молекулярному. Саме на цій властивості засноване застосування кисню як відбілювального агента — так легше руйнуються фарбують органічні речовини.

У молекулярному стані кисень може існувати у вигляді O2 і озону O3, тобто для нього характерне явище алотропії (існування декількох простих речовин одного і того ж хімічного елемента).

Горіння неметалів

Оксиди та пероксиди

Якщо говорити коротко, можна сказати, що кисень утворює два типи сполук: оксиди і пероксиди. При цьому перші з названих можна розглядати як похідні води (схема):

H-O-H, Na-O-Na

Другі ж можна схарактеризувати як пероксиди водню (теж схематично):

H-O-O-H, Na-O-O-Na

Отримати оксиди можна декількома способами.

  • Перший – це, безпосередньою, взаємодією з елементами;
  • другий — розкладання при нагріванні гідроксидів або солей.

Приклад:

  • Безпосередня взаємодія. 2Mg + O2 → 2MgO.
  • Розкладання. Cu(OH)2 → CuO + H2O; CaCO3 → CaO + CO2.

З киснем не будуть прямо з’єднуватися галогени, деякі гази і благородні метали. Лужні метали, за винятком літію, при взаємодії будуть утворювати пероксиди або супероксиди:

  • 2Na +O2 → Na2O2;
  • K + O2 → KO2 (супероксид).

Горіння кисню

Ряд оксидів може з’єднуватися з водою, утворюючи гідроксиди кислот — такі сполуки будуть називатися кислотними оксидами або ангідридами. До таких відносяться SO2 (сірчистий ангідрид), CO2 (вугільний ангідрид). Ті кисневі сполуки, які з водою утворюють основи, називають основними.

Частина оксидів володіє амфотерними властивостями. Гідроксиди таких сполук можуть виступати кислотами або основами.

Вищі оксиди металів (тобто ті, де він знаходиться у вищій мірі окислення) завжди володіють кислотними властивостями: V2O5, Cr2O3. Відома також група індиферентних (несолетворні) оксидів: CO, SiO, NO.

Більшість бінарних кисневих сполук стійкі до нагрівання. А ось оксиди благородних металів при підвищенні температури легко розкладаються.

Взаємодія кисню зі складними речовинами

Озон (O3) — алотропна модифікація

Це з’єднання утворюється при повільному окисленні вологого білого фосфору, а також при розкладанні концентрованої сульфатної кислоти, перманганату калію, біхромату калію і деяких інших сполук (в цьому випадку O3 — домішка).

У природі озон утворюється при окисленні смоли хвойних дерев та ультрафіолетовому опроміненні кисню у верхніх шарах атмосфери.

Якісна реакція на присутність O3 в повітрі:

O3 + 2KI + H2SO4 → I2 + K2SO4 + H2O + O2

У промисловості його отримують при дії тихого електричного заряду на O2: 3O2 → 2O3. Реакція протікає в спеціальному приладі — озонаторі, чиста речовина відділяється зрідженням.

За зовнішнім виглядом озон – це синя рідина, вибухонебезпечна. Від зіткнення з ним ефіри, спирти, скипидар запалюються. Озон руйнує багато органічних речовин, а мікроорганізми взагалі вбиває.

Хімічні властивості озону наступні:

  • при впливі на ненасичені органічні речовини O3 приєднується до них за місцем подвійного зв’язку, в результаті чого утворюються озоніди;
  • озон сильний окислювач.

Завдяки своїм бактерицидним властивостям озон широко застосовується в промисловості: в пивоварному виробництві та для знезараження води.

Види реакцій з киснем2

Отримання кисню

Один з методів отримання – це рефракційна перегонка повітря, але такий кисень містить близько 3% інертних газів (в основній – це аргон). Інший варіант – ректифікація рідкого повітря. Цей процес можна коротко описати так:

  • повітря стискають при тиску 100-200 атм;
  • нагрівають, після чого охолоджують в спеціальних аміачних холодильниках;
  • охолоджену суміш пропускають через дросель, при виході з якого тиск різко падає.

При розширенні газів температура знижується і повітря зріджується. Ця операція повторюється багаторазово для збільшення виходу кінцевого продукту.

Зріджене повітря – це суміш газів (в основному – це азот і кисень, інших там менш як 1%). Через різницю температур кипіння (у N2 вона -195,8°C, кисень закипає при -183°C) з рідкого повітря відганяється азот, а потім O2.

Отриманий цим методом кисень містить домішки азоту, тому його піддають додатковому очищенню.

Повільне окиснення

У лабораторії його можна отримати кількома способами.

Основні з них:

  • Розкладання бертолетової солі. Реакція протікає при підвищеній температурі і в присутності каталізатора, в ролі якого використовують діоксид марганцю: 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
  • Процес розкладання перманганату калію при нагріванні: 2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2.
  • Виділяють з нітратів лужних металів: 2NaNO3 → 2NaNO2 + O2.
  • У процесі розпаду оксиду ртуті: 2HgO → 2HG + O2.

Ще один спосіб синтезу – електролізація води в присутності гідроксидів лужних металів, наприклад, KOH. Ці речовини додаються для збільшення електропровідності.

Вибух

Застосування та промислове значення кисню

Завдяки своїм властивостям кисень широко застосовується в техніці. У присутності цього елемента окислювальні процеси протікають набагато інтенсивніше, ніж в простому повітрі. При цьому підвищується температура полум’я. Тому O2 активно застосовується для інтенсифікації окислення в хімічній і металургійній промисловості (виплавка чавуну і сталі, випал сульфідних руд, різання металів та інше).

Суміші рідкого кисню з горючими речовинами (вуглець, сірка, деревна тирса) під назвою оксиліквіти використовуються як вибухова речовина в гірничій і гірничодобувній промисловості (при проведенні гірничо-вибухових робіт).

Засоби пожежогасіння

Чистий O2 застосовується:

  • в медицині (при лікуванні бронхіальної астми, органів шлунково-кишкового тракту – приготування спеціальних коктейлів, та інше);
  • в кисневих приладах при роботі під землею і під водою;
  • на великих висотах.

Незамінний він і в процесі виробництва ракетного палива (окислювач).

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *