4.3. Химические свойства и применение простых веществ

При об.у. молекула кислорода из-за ее симметричности и прочной двойной ХС ( кДж/моль) довольно инертна. Однако вода (даже в виде пара, который всегда есть в воздухе) поляризует частицы , тем самым повышая их активность. И тогда становятся возможными следующие (хотя сравнительно медленные) процессы окисления кислородом: коррозия металлов, гниение органических веществ, дыхание и т.п.

Поскольку выдыхаемый воздух содержит меньше , но больше и , чем вдыхаемый, то можно сказать, что при дыхании в нас медленно «сгорают» углеводороды (т.е. органические соединения углерода с водородом). При таком «сгорании» выделяется энергия, необходимая для жизни. При гниении же, например, навоза, накапливается столько тепла, что куча его иногда самовоспламеняется. (Так что внесение навоза в почву не только ее удобряет, но и утепляет.)

Кислород активируется также сильным нагреванием или открытым огнем, что зарождает цепные реакции, и происходит быстрое окисление – горение. Горят в О₂ все простые вещества (кроме галогенов, благородных газов и таких пассивных М, как золото, платина и т.п.). Сгорают в нем и многие сложные соединения, в частности, органические (например, при сжигании дров, угля, нефти, бензина…). Кислород используется также при выплавке металлов для окисления в них примесей: С, Р, S и т.п. В общем, по применению в промышленности О₂ занимает третье место (после серной кислоты и негашеной извести (СаО)).

С другой стороны, из-за наличия кислорода в воздухе возможны пожары (в том числе, лесные). Для их прекращения нужно охладить зону горения (ниже температуры воспламенения) и (или) прервать доступ О₂. (Обе цели достигаются, если, например, заливать огонь водой, т.к. из-за ее испарения охлаждается зона горения, а образующийся при этом пар изолирует горящий предмет от новых поступлений воздуха.) Напротив, для активизации горения используют чистый кислород.

Чистый кислород используется и как окислитель ракетного топлива. А также во взрывных работах (для прокладки тоннелей, добыче руд и т.п.); при этом опилки, торф или уголь пропитывают жидким и вставляют в отверстие взрываемого объекта; при поджигании мгновенное сгорание дает сжатые и сильно разогретые газы, которые расширяясь производят нужное разрушение.

Особенно активным окислителем является атомарный кислород (обозначается «О»), который окисляет, в частности, молекулярный () до озона даже на холоду. Атомизируется же под действием жестких лучей кварцевой лампы или Солнца (в верхних слоях атмосферы). Благодаря последнему, на высоте 10 – 30 км постоянно образуется озоновый слой¹⁴. Этот слой, обладая способностью поглощать именно жесткие солнечные лучи, спасает от их вредного воздействия жизнь на Земле.

Озон, в отличие от О₂, неустойчив, сравнительно легко отщепляет «О» и поэтому гораздо активнее, чем . Даже при об.у. О₃ взаимодействует со ртутью и серебром; в его атмосфере самовоспламеняются горючие жидкости, например, этиловый спирт; озоном окисляются (и как следствие, обесцвечиваются) органические красители. А бесцветная иодидкрахмальная бумага в присутствии О₃ окрашивается, поскольку при этом I^– переходит в I₂, который затем с крахмалом образует соединение (ассоциат) синего цвета. (Другие продукты взаимодействия КI и О₃ – это K₂O и O₂.) Данная реакция является качественной на О₃; например, с ее помощью можно обнаружить наличие озона в анализируемой смеси газов.

Даже при низких¹⁵ концентрациях погибают микробы, поэтому озон применяют для обработки овощей перед хранением, при дезинфекции помещений (например, в больничных палатах с помощью кварцевых ламп), для обеззараживания водопроводной воды и др. Однако высокая активность О₃ делает очень уязвимым озоновый слой. Тем более, что даже газы, безвредные на Земле (например, фреоны, их общая формула СCl_nF_4–n), активируются в верхних слоях атмосферы жестким излучением Солнца и реагируют с . Как результат, озоновый слой, по мнению ряда ученых, уменьшается, вследствие чего меняется климат на Земле, растет число раковых заболеваний и др. Поэтому необходимо снижать выбросы в атмосферу указанных (и им подобных) газов.

Сера (из-за большего r) как окислитель слабее, чем , а как восстановитель сильнее. Так, кислород окисляется лишь фтором и максимум до +2 (), а сера – не только фтором, причем до +6 (), но и хлором (хотя не выше, чем до +4: ), и даже бромом (но лишь до +2: ). При поджигании же сера легко восстанавливает кислород (поэтому ее вводят в состав спичек и пороха):

.

Однако в свою очередь сера может окислять простые вещества элементов, расположенных в периодической таблице левее халькогенов. А именно: водород (продукт – H₂S), фосфор (P₂S₅), уголь (CS₂), большинство М. Даже серебро, если его потереть влажным порошком S, покрывается при об.у. черным налетом .

Являясь достаточно сильным и окислителем, и восстановителем, сера (как и ) относится к антисептикам. Поэтому используется в медицине (серные мази и т.п.); в сельском хозяйстве (применяется для борьбы с плесенью и филлоксерой, от которой страдают, например, картофель и виноград) и др.