41. Оксиген. Будова молекули кисню. Добування (лабораторні та промислові способи), фізичні та хімічні властивості

кисню.

Поширення в природі. Оксиген — найпоширеніший на Землі елемент. Він становить 47,2 % маси земної кори. Його вміст у повітрі становить 20,95 % за об’ємом або 23,15 % —        за масою. Оксиген входить до складу води, гірських порід, багатьох мінералів і солей, міститься у білках, жирах і вуглеводах, з яких складаються живі організми.

Добування. У лабораторних умовах кисень добувають електролізом водного розчину гідроксиду натрію (електроди нікелеві) або розкладом при нагріванні бертолетової солі (хлорату(V) калію) чи перманганату калію. Розклад хлорату калію значно прискорюється за наявності оксиду мангану(ІV) МnО₂:

2КСlO₂ = 2КСl + 3O₂ ↑.

Дуже чистий кисень утворюється при розкладі перманганату калію:

2КМnO₄ = К₂МnО₄ + МnО₂ + O₂ ↑ .

У промисловості кисень добувають із рідкого повітря, а також при добуванні водню електролізом води. Кисень зберігають і перевозять у стальних балонах під тиском до 15 МПа (мегапаскаль).

Фізичні властивості. Кисень — газ без кольору, смаку і запаху, трохи важчий за повітря. У воді розчиняється мало (в 1 л води при 20 °С розчиняється 31 мл кисню). При температурі —183°С і тиску 101,325 кПа кисень переходить у рідкий стан. Рідкий кисень має блакитний колір, втягується в магнітне поле. Природний оксиген містить три ізотопи: ¹⁶₈O (99,76 %), ¹⁷₈O (0,04 %) і ¹⁸₈O (0,20 %). Хімічні властивості. До завершення зовнішнього електронного рівня атому оксигену не вистачає двох електронів. Енергійно приєднуючи їх, атом оксигену виявляє ступінь окиснення —2. Однак у сполуках з флуором (OF₂ і O₂F₂) спільні електронні пари зміщені до флуору, як до більш електроне гативного елемента. У цьому випадку ступені окиснення оксигену відповідно дорівнюють +2 і +1, а флуору —1.

Молекула кисню складається з двох атомів O₂. Хімічний зв’язок у ній — ковалентний неполярний.

Молекула озону складається з трьох атомів оксигену О₃. О_зон — це алотропічна модифікація елемента оксигену. Хоча кисень і озон утворені одним і тим самим елементом, властивості їх різні. О_зон — газ із характерним запахом. Руйнує органічні речовини, окиснює багато металів, у тому числі золото і платину; він сильніший окисник, ніж кисень. Наприклад, з розчину йодиду калію він виділяє йод, в той час як з киснем ця реакція не відбувається:

Озон чинить вибілюючу й дезінфікуючу дію.

Найважливіша хімічна властивість кисню — здатність утворювати оксиди майже з усіма елементами (для перших трьох благородних газів оксиди не добуто). При цьому з більшістю речовин кисень взаємодіє безпосередньо, особливо при нагріванні. Наприклад:

2Са + O₂ = 2СаО.                                       (а)

Кисень не взаємодіє безпосередньо з галогенами, золотом і платиною, їх оксиди добувають непрямим шляхом.

Складні речовини за певних умов також взаємодіють з киснем. При цьому утворюються оксиди, а в деяких випадках — оксиди і прості речовини. Наприклад:

2С₂Н₂ + 5O₂= 4СO₂ + 2Н₂O;                         (6)

4NH₃ + 3O₂ = 6Н₂О + 2N₂.                         (в)

Оксиген як окисник. За величиною відносної електронегативності оксиген є другим елементом (х = 3,50, див. табл. 2.2). Тому в хімічних реакціях як з простими, так і зі складними речовинами він є окисником, оскільки приймає електрони. З іншого боку [як випливає з реакцій (а), (б), (в)], кальцій, карбон зі ступенем окиснення —1 і нітроген зі сту пенем окиснення —3 віддають електрони, тому Са, С₂Н₂ і NH₃ є відновниками.

Горіння, іржавіння, гниття і дихання відбуваються за участю кисню. Це окисно-відновні процеси.

Інтенсифікація хімічних і металургійних процесів. Процеси окиснення інтенсивніше відбуваються в кисні, ніж на повітрі. Це підтверджується простими дослідами: горінням вугілля, сірки, стального дроту в кисні.

Для прискорення процесів окиснення замість звичайного повітря застосовують кисень або повітря, збагачене киснем. Кисень використовується для інтенсифікації окисних процесів у хімічній промисловості (виробництво нітратної і сульфатної кислот, штучного рідкого палива, мастил та інших речовин).

Кисень — ефективний засіб інтенсифікації металургійних процесів. При продуванні в доменну піч повітря, збагаченого киснем, значно підвищується температура полум’я, внаслідок чого прискорюється процес плавки і зростає продуктивність печі. Ще більший ефект спостерігається при повній або частковій заміні повітря киснем у сталеплавильному виробництві — мартенівському і бесемерівському процесах: відбувається не тільки інтенсифікація цих процесів, а й покращується якість сталей, що добуваються. Успішно застосовується збагачене киснем повітря (до 60 % О₂) у кольоровій металургії (окиснення сульфідних руд цинку, міді та інших металів).

Застосування. Металургійна промисловість використовує досить багато кисню. Кисень застосовується для досягнення високих температур. Температура киснево-ацетиленового полум’я досягає З 500°С, киснево-водневого — З 000°С.

У медицині кисень застосовується для полегшення дихання хворих (кисневі подушки і палатки). Він використовується в кисневих приладах під час виконання робіт у важкій для дихання атмосфері (підземні й підводні роботи, висотні й космічні польоти тощо).