Шкала степеней окисления кислорода
Химические свойства кислорода
Молекула кислорода состоит из двух атомов. Химическая связь ковалентная неполярная. Кислород отличает высокая реакционная способность, он окисляет многие вещества уже при комнатной температуре. Если реакции инициировать нагреванием, освещением, катализатором, они протекают очень бурно и сопровождаются выделением большого количества тепла. Особенно сильным окислителем является жидкий кислород: пропитанная им вата при поджигании мгновенно сгорает. Некоторые летучие органические вещества самопроизвольно воспламеняются на расстоянии нескольких метров от открытого сосуда с жидким кислородом.
Реакции взаимодействия веществ с кислородом, которые сопровождаются выделением большого количества тепла и света, называются реакциями горения.
Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме благородных газов. С большинством элементов он взаимодействует непосредственно (исключение: галогены, золото и платина).
1. Окисляет все металлы при определенных условиях (кроме золота и платины):
4Al + 3O2 = 2Al2O3,
3Fe + 2O2 = Fe3O4.
При окислении щелочных металлов (кроме лития) образуются пероксиды или надпероксиды металлов:
2Na + O2 = Na2O2,
K + O2 = KO2.
2. Окисляет все неметаллы при определенных условиях (кроме галогенов и инертных газов). Сера взаимодействует с кислородом при 250 °С:
S + O2 = SO2.
Горение фосфора с образованием оксида фосфора (V) начинается при 60 °С:
4Р + 5О2 = 2Р2О5.
Графит реагирует с кислородом при 700–800 °С:
С + О2 = СО2.
С водородом кислород взаимодействует при 300 °С:
2Н2 + О2 = 2Н2О.
3. Окисляет сложные неорганические и органические вещества.
2CuS + 3O2 = 2CuO + 2SO2,
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.
4. Только при взаимодействии с фтором он проявляет восстановительные свойства:
O2 + F2 = O2F2 (в электрическом разряде).
Дифторид кислорода может быть получен при быстром пропускании фтора через 2 % раствор щелочи:
2F2 + 2NaOH = OF2 + 2NaF + H2O.
Получение кислорода
В промышленности
Большое количество кислорода используется в промышленности, в медицине, в других областях человеческой деятельности. Промышленным способом кислород получают из жидкого воздуха. Сначала воздух сжимают мощными компрессорами – при этом он, как любой сжимаемый газ, сильно нагревается. Сжатый воздух в больших баллонах охлаждается. Затем его подвергают быстрому расширению через узкие каналы, снабженные турбинками для дополнительного отбора энергии у молекул газа. Эти устройства называются турбодетандерами. При расширении любого газа всегда происходит его охлаждение. Если газ был сжат очень сильно, то его расширение может привести к такому сильному охлаждению, что часть воздуха сжижается. Жидкий воздух собирают в специальные сосуды, называемые сосудами Дьюара. Жидкий кислород кипит при более высокой температуре (–183 оС), чем жидкий азот (–196 оС). Поэтому при нагревании жидкого воздуха, когда температура этой очень холодной жидкости медленно повышается от –200 оС до –180 оС, прежде всего при –196 оС перегоняется азот (который опять сжижают) и только следом перегоняется кислород. Если такую перегонку жидких азота и кислорода произвести неоднократно, то можно получить весьма чистый кислород. Обычно его хранят в сжатом виде в стальных баллонах, окрашенных в голубой цвет. Характерная голубая окраска баллонов нужна для того, чтобы нельзя было спутать кислород с каким-нибудь другим сжатым газом.
В лаборатории
В лаборатории кислород удобнее получать из его соединений с другими элементами. Чаще всего кислород получают термическим разложением таких веществ (в состав которых кислород входит в связанном виде), как перманганат калия, хлорат калия (бертолетова соль), нитраты щелочных и щелочноземельных металлов (например: нитрат калия (селитра)):
1. Термическое разложение перманганата калия:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2.
2. Термическое разложение бертолетовой соли (в качестве катализатора можно использовать MnO2):
2KClO3 = 2KCl + 3O2.
3. Термическое разложение нитратов щелочных и щелочно-земельных металлов:
2KNO3 = 2KNO2 + O2.
4. Удобно получать кислород в лаборатории разложением пероксида водорода (в качестве катализатора можно использовать MnO2):
2H2O2 = 2H2O + O2.
5. Окисление Н2О2 сильными окислителями:
2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5O2 + K2SO4 + 8H2O.
6. Взаимодействие пероксидов металлов с углекислым газом (реакцию используют для регенирации воздуха в герметичных помещениях):
2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2.
7. Разложение воды под действием электрического тока (электролизом воды):
2H2O = 2H2 + O2.
8. Термическое разложение оксидов тяжелых металлов:
2HgO = 2Hg + O2.
Соединения кислорода (–2)
Образование двух- и многозарядных одноатомных анионов Эn– энергетически невыгодно. Поэтому не существует соединений, содержащих ион О2–. Даже в кристаллических оксидах наиболее активных металлических элементов типа Na2O и CaO эффективный заряд атома кислорода составляет –1.
Оксиды – это бинарные соединения атомов металлов или неметаллов с атомами кислорода.