бесплатно рефераты

бесплатно рефераты

 
 
бесплатно рефераты бесплатно рефераты

Меню

Кислород. Его свойства и применение бесплатно рефераты

Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в

составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около

47,4% массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное

количество связанного кислорода — 88,8% (по массе), в атмосфере содержание

свободного кислорода составляет 20,95 % (по объему). Элемент кислород

входит в состав более 1 500 соединений земной коры.

Кислород в атмосфере Земли начал накапливаться в результате деятельности

первичных фотосинтезирующих организмов, появившихся, вероятно, около 2,8

млрд. лет назад. Полагают, что 2 млрд. лет назад атмосфера уже содержала

около 1% кислорода; постепенно из восстановительной она превращалась в

окислительную и примерно 400 млн. лет назад приобрела современный состав.

Наличие в атмосфере кислорода в значительной степени определило характер

биологической эволюции. Аэробный (с участием О2) обмен веществ возник позже

анаэробного (без участия О2), но именно реакции биологического окисления,

более эффективные, чем древние энергетические процессы брожения и

гликолиза, снабжают живые организмы большей частью необходимой им энергии.

Исключение составляют облигатные анаэробы, например, некоторые паразиты,

для которых кислород является ядом. Использование кислорода, обладающего

высоким окислительно-восстановительным потенциалом, в качестве конечного

акцептора электронов в цепи дыхательных ферментов, привело к возникновению

биохимического механизма дыхания современного типа. Этот механизм и

обеспечивает энергией аэробные организмы.

Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех

важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток — белков,

нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных

соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем

любого другого элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека

содержит 16% кислорода, костная ткань — 28.5%; всего в организме среднего

человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организм животных

и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный

кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в кислороде

определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от

массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних

условий и др. В экологии как важную энергетическую характеристику

определяют отношение суммарного дыхания (то есть суммарных окислительных

процессов) сообщества организмов к его суммарной биомассе.

Небольшие количества кислорода используют в медицине: кислородом (из так

называемых кислородных подушек) дают некоторое время дышать больным, у

которых затруднено дыхание. Нужно, однако, иметь в виду, что длительное

вдыхание воздуха, обогащенного кислородом, опасно для здоровья человека.

Высокие концентрации кислорода вызывают в тканях образование свободных

радикалов, нарушающих структуру и функции биополимеров. Сходным действием

на организм обладают и ионизирующие излучения. Поэтому понижение содержания

кислорода (гипоксия) в тканях и клетках при облучении организма

ионизирующей радиацией обладает защитным действием — так называемый

кислородный эффект. Этот эффект используют в лучевой терапии: повышая

содержание кислорода в опухоли и понижая его содержание в окружающих тканях

усиливают лучевое поражение опухолевых клеток и уменьшают повреждение

здоровых. При некоторых заболеваниях применяют насыщение организма

кислородом под повышенным давлением — гипербарическую оксигенацию.

V. Физические и химические свойства кислорода.

Химический элемент кислород образует два простых вещества - кислород О2

и О3 различные по физическим свойствам.

Кислород О2— газ, не имеющий цвета и запаха. Молекула его О2. Она

парамагнитна (притягивается магнитом), так как в ней содержатся два

неспаренных электрона. Строение молекулы кислорода можно представить в виде

следующих структурных формул:

О — О или О — О

Атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул. Межатомное

расстояние в молекуле О2 0,12074 нм. Молекулярный кислород (газообразный и

жидкий) — парамагнитное вещество, в каждой молекуле О2 имеется по 2

неспаренных электрона. Этот факт можно объяснить тем, что в молекуле на

каждой из двух -разрыхляющих орбиталей находится по одному неспаренному

электрону.

Энергия диссоциации молекулы О2 на атомы довольно высока и составляет

493,57 кДж/моль.

Молекула кислорода О2 довольно инертна. Устойчивость молекулы кислорода

и высокая энергия активации большинства реакций окисления обусловливают то,

что при низкой и комнатной температурах многие реакции с участием кислорода

протекают с едва заметной скоростью. Только при создании условий для

появления радикалов — О — или R—О—О—, возбуждающих цепной

процесс, окисление протекает быстро. В этом случае применяют, например,

катализаторы, которые способны ускорить окислительные процессы.

При нормальных условиях плотность газа кислорода 1,42897 кг/мЗ.

Температура кипения жидкого кислорода (жидкость имеет голубой цвет)

-182,9°С. При температурах от -218,7°С до -229,4°С существует твердый

кислород с кубической решеткой (-модификация), при температурах от -229,4°С

до -249,3°С — -модификация с гексагональной решеткой и при температурах

ниже -249,3°С — кубическая -модификация. При повышенном давлении и низких

температурах получены и другие модификации твердого кислорода.

При 20°С растворимость газа О2: 3,1 мл на 100 мл воды, 22 мл на 100 мл

этанола, 23,1 мл на 100 мл ацетона. Существуют органические фторсодержащие

жидкости (например, перфторбутилтетрагидрофуран), в которых растворимость

кислорода значительно более высокая.

Высокая прочность химической связи между атомами в молекуле О2приводит к

тому, что при комнатной температуре газообразный кислород химически

довольно малоактивен. В природе он медленно вступает в превращения при

процессах гниения. Кроме того, кислород при комнатной температуре способен

реагировать с гемоглобином крови, что обеспечивает перенос кислорода от

органов дыхания к другим органам.

Со многими веществами кислород вступает во взаимодействие без

нагревания, например, с щелочными и щелочноземельными металлами (образуются

соответствующие оксиды типа Li2O, CaO и др., пероксиды типа Na2О2, BaO2 и

др. и супероксиды типа КО2, RbО2 и др.), вызывает образование ржавчины на

поверхности стальных изделий. Без нагревания кислород реагирует с белым

фосфором, с некоторыми альдегидами и другими органическими веществами.

При нагревании, даже небольшом, химическая активность кислорода резко

возрастает. При поджигании он реагирует со взрывом с водородом, метаном,

другими горючими газами, с большим числом простых и сложных веществ.

Обычный атмосферный кислород состоит из смеси трех изотопов: 16О(99,7%),

17О(0,01%), 18О(0,2%). Ввиду того что содержание изотопов 17О и 18О в

кислороде небольшое по сравнению с изотопом 16О, атомная масса кислорода

принята равной 15,9994 у. е.

В зависимости от природных условий изотопный состав кислорода может

изменяться, то обогащаясь тяжелыми изотопами, то обедняясь ими. Так,

молекулы воды Н216О переходят в парообразное состояние относительно легче,

чем молекулы Н217О и Н218О. Поэтому в состав водяных паров, испаряющихся из

моря, входит кислород с относительно меньшим содержанием тяжелых изотопов,

чем кислород, остающийся в морской воде.

С помощью атомов тяжелого изотопа кислорода 18О удалось выяснить

«происхождение» кислорода, выделяемого растениями в процессе фотосинтеза.

Раньше считали, что это кислород, высвобожденный из молекул оксида

углерода, а не воды. В настоящее время стало известно, что растения

связывают кислород оксида углерода, а в атмосферу возвращают кислород из

воды.

Кислород образует соединения со всеми элементами, кроме некоторых

благородных газов (гелия, неона, аргона). Так, с большинством металлов

кислород реагирует уже при комнатной температуре, например:

2Na° + О2° = Na2+102-2

Na° -1(ё) Na+1 2 восстановитель

O2° +2(ё) 2 2O-2 окислитель

2Zn° + O2° = 2Zn+2O-2

Zn° -2(ё) Zn+2 восстановитель

O2° +2(ё) 2 2O-2 окислитель

С неметаллами кислород реагирует, как правило, при нагревании. Так, с

фосфором кислород активно реагирует при температуре 60°С:

4Р° + 502° = 2Р2+505-2

P° -5(ё) P+5 2 восстановитель

O2° +2(ё) 2 2O-2 5 окислитель

с серой — при температуре около 250°С:

S° + 02° = S+402-2

S° -4(ё) S+4 восстановитель

O2° +2(ё) 2 2O-2 2 окислитель

с углеродом (в виде графита) — при 700—800°С:

С° + О2° = С+4О2-2

C° -4(ё) C+4 восстановитель

O2° +2(ё) 2 2O-2 2 окислитель

Взаимодействие кислорода с азотом начинается лишь при 1200°С или в

электрическом разряде:

N2 + О2 2NO - Q.

Кислород реагирует и со многими сложными соединениями, например, с

оксидами азота он реагирует уже при комнатной температуре:

2N+2O + О2° = 2N+4О2-2

N+2 -2(ё) N+4 1 восстановитель

O2° +2(ё) 2 2O-2 2 окислитель

Сероводород, реагируя с кислородом при нагревании, дает серу:

2H2S-2 + О2° = 2S° + 2Н2О-2

S-2 -2(ё) S° восстановитель

O2° +2(ё) 2 2O-2 окислитель

или оксид серы (IV)

2H2S + ЗО2 = 2SO2 + 2Н2О

в зависимости от соотношения между кислородом и сероводородом.

В приведенных реакциях кислород является окислителем. В большинстве

реакций окисления с участием кислорода выделяется тепло и свет — такие

процессы называются горением.

Аллотропной модификацией кислорода является озон. Молекула его

трехатомна — О3. Строение ее можно представить следующей структурной

формулой:

О

О

О

Всякое изменение числа или расположения одних и тех же атомов в молекуле

влечет за собой появление качественно нового вещества с иными свойствами.

Озон по своим свойствам отличается от кислорода. В обычных условиях это газ

синего цвета, с резким раздражающим запахом. Название его происходит от

греческого слова «озейн», что означает запах. Он токсичен. В отличие от

кислорода молекула озона характеризуется большой молекулярной массой,

поляризуемостью и полярностью. Поэтому озон имеет более высокую температуру

кипения (—111,9°С), чем кислород (— 182,9°С), интенсивную окраску и лучшую

растворимость в воде.

В естественных условиях озон образуется из кислорода при грозовых

разрядах, а на высоте 10—30 км — при действии ультрафиолетовых солнечных

лучей. Он задерживает вредное для жизни ультрафиолетовое излучение Солнца.

Кроме этого, озон поглощает инфракрасные лучи Земли, препятствуя ее

охлаждению. Следовательно, аллотропная форма кислорода — озон — играет

большую роль в сохранении жизни на Земле.

Образование озона сопровождается выделением атомного кислорода. Это в

основном цепные реакции, в которых появление активной частицы (она

обозначается обычно знаком *) вызывает большое число (цепь)

последовательных превращений неактивных молекул, например O2. Цепную

реакцию образования озона из кислорода можно выразить следующей схемой:

О2 + hv — О2*

*O2 + O2 = O3 + O

О + О2 = О3 ,

или суммарно:

3О2 = 2О3

В технике озон получают при электрических разрядах в озонаторах.

Молекула О3 неустойчива, и при большой концентрации озон распадается с

взрывом:

2О2 = 3О2

Окислительная активность озона намного выше, чем у кислорода. Например,

уже в обычных условиях озон окисляет такие малоактивные простые вещества,

как серебро и ртуть с образованием их оксидов и кислорода:

8Ag + 2O3 = 4Ag2O + O2

Как сильный окислитель, озон используется для очистки питьевой воды, для

дезинфекция воздуха. Воздух хвойных лесов считается полезным, так как в нем

содержится небольшое количество озона, который образуется при окислении

смолы хвойных деревьев.

Еще более сильным окислителем, чем кислород О2, является озон О3

(аллотропическая модификация кислорода). Он образуется в атмосфере при

грозовых разрядах, чем объясняется специфический запах свежести после

грозы.

В лабораториях озон получают пропусканием разряда через кислород

(реакция эндотермическая):

302 203 - 284 кДж.

При взаимодействии озона с раствором иодида калия выделяется иод, тогда

как с кислородом эта реакция не идет:

2KI + 03 + Н20 = I2 + 2КОН + 02.

Реакция часто используется как качественная для обнаружения ионов I- или

озона. Для этого в раствор добавляют крахмал, который дает характерный

синий комплекс с выделившимся иодом. Реакция качественная еще и потому, что

озон не окисляет ионы Cl- и Br-

Имеется еще одна модификация кислорода - четырехатомная (О4):

O — O

O — O

Эта модификация образуется при слабом взаимодействии двух молекул

кислорода. Содержание четырехатомных молекул в газообразном кислороде в

обычных условиях составляет всего лишь 0,1% от общего числа молекул, в

жидком и твердом кислороде — до 50%. Существует равновесие:

2О2 — О4

При низких температурах оно смещено вправо, т. е. в сторону

образования молекул О4. Структурные изменения молекул вызывают различия в

свойствах веществ. Так, жидкий и твердый кислород в отличие от

газообразного окрашены в синий цвет.

Кислород при нагревании взаимодействует с водородом с образованием воды.

При поджигании смеси обоих газов в объемных пропорциях 2:1 (гремучий газ)

реакция протекает со взрывом. Но она может протекать и спокойно, если эту

смесь привести в соприкосновение с очень малым количеством

мелкораздробленной платины, играющей роль катализатора:

2Н2 + О8 = 2 Н20 + 572,6 кдж/моль

Кислород непосредственно может окислять все металлы. Если металл

обладает высокой летучестью, то процесс окисления обычно идет в виде

горения. Горение же малолетучих металлов в кислороде может осуществляться

при условии высокой летучести образующегося оксида. Эффективность этого

процесса зависит от восстановительной активности металла и характеризуется

величиной теплоты образования получающегося продукта. Продукты

взаимодействия металлов с кислородом (оксиды) могут быть основным,

кислотными и амфотерными.

При горении некоторых активных металлов в кислороде иногда образуются не

их оксиды, а надпероксиды и пероксиды. Так, при горении калия и рубидия

образуются надпероксиды этих металлов:

K + O2 = KO2

Связано это с тем, что молекула кислорода может присоединять или терять

электроны с образованием молекулярных ионов типа О2-2, O2- и O2+.

Присоединение одного электрона к кислороду вызывает образование надпероксид-

иона O2:

О — О + ё = [ О — О ]-

Наличие непарного электрона в ионе О2- обусловливает парамагнетизм

надпероксидов.

Присоединяя два электрона, молекула кислорода пре

вращается в пероксид-ион О2-2, в котором атомы связа

ны одной двухэлектронной связью, и поэтому он диамагнитен:

О — О + 2ё = [ О — О ]-2

Например, взаимодействие бария с кислородом идет с образованием

пероксида BaO2:

Ва + О2 = ВаО2

VI. Получение кислорода.

Многообразие химических соединений, содержащих кислород, и их

Страницы: 1, 2, 3