Кислород. Его свойства и применение

доступность позволяют получать кислород различными способами. Все способы

получения кислорода можно разделить на две группы: физические и химические.

Большинство из них относится к химическим, т. е. в основе получения

кислорода лежат те или иные реакции. Например, когда необходим особо чистый

кислород, его получают из воды путем разложения ее. Рассмотрим этот способ.

В сосуд, наполненный электролитам (дистиллированная вода, подкисленная

серной кислотой), опускают электроды, чаще всего платиновые, и пропускают

электрический ток. Положительно заряженные ионы водорода перемещаются к

отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицательно заряженные

гидроксид-ионы ОН- и сульфат-ионы SO42- направляются к положительно

заряженному электроду (аноду). На электродах ионы разряжаются. Следует

заметить, что разряд ионов Н+ и ОН- происходит намного легче, чем сульфат-

ионов SO42- Таким образом, на катоде выделяется водород, а на аноде —

кислород:

4Н+ + 4ё — 2Н2

4ОН- - 4ё — 2Н2О + О2

Выделяющиеся газы собирают в разные сосуды или непосредственно

используют.

В условиях школьной лаборатории в качестве электролита удобнее

воспользоваться раствором щелочи. Тогда электроды можно изготовить из

железной проволоки или листа. В щелочной среде разрядке на катоде

подвергаются непосредственно молекулы воды:

Н2О + ё — Н° + Н-

Н° + Н° — H2

Для опыта используют лабораторный электролизер. Это U-образная трубка из

стекла, в которую впаяны электроды. При электролитическом способе получают

достаточно чистый кислород (0,1% примесей).

Рассмотрим еще один химический способ получения кислорода. Если

нагревать оксид бария ВаО до 540СС, то он присоединяет атмосферный кислород

с образованием пероксида бария ВаО2. Последний при нагревании до 870°С

разлагается, и выделяется кислород:

2ВаО + О2 = 2ВаО2

2ВаО2 = 2ВаО + О2

Пероксид бария выполняет роль переносчика кислорода.

В прошлом столетии были разработаны установки для получения кислорода

этим способом. Они включали в себя вертикально расположенные емкости,

которые имели систему подогрева. Через нагретый до 400 — 500°С оксид бария

пропускали ток воздуха. После образования пероксида бария подачу воздуха

прекращали, а емкости нагревали до 750°С (температура разложения ВаО2).

С развитием техники получения низких температур был разработан

физический способ получения кислорода из атмосферного воздуха. Он основан

на глубоком охлаждении воздуха и использовании различия в температурах

кипения газов, входящих в состав воздуха.

Жидкий воздух, получаемый в холодильных установках, представляет собой

смесь, состоящую из 79% азота и 21 % кислорода по объему. Жидкий азот кипит

при температуре — 195,8°С, а жидкий кислород — при температуре — 182,9°С.

На разности температур кипения азота и кислорода основано их разделение.

Для полного разделения жидкого кислорода и газообразного азота применяют

многократное испарение жидкого воздуха, сопровождающееся конденсацией его

паров. Этот процесс носит название фракционной перегонки или ректификации.

В настоящее время этот способ стал основным способом получения

технического кислорода (дешевое сырье и большая производительность

установок). Жидкий кислород хранят и перевозят в специально приспособленных

для этого емкостях-цистернах и танках, снабженных хорошей теплоизоляцией.

Поскольку физический способ получения кислорода широко используют в

промышленности, химические способы получения практически утратили свое

техническое значение и служат для получения кислорода в лаборатории.

В связи с развивающимся научно-техническим прогрессом людей всего мира

начинает тревожить судьба кислорода и загрязненность атмосферы. Во многих

городах уже сейчас становится трудно дышать. По данным мировой статистики,

все автомобили только за час работы выбрасывают в воздух до 600 тыс. т

ядовитого оксида углерода СО. При сгорании 1 т бензина в автомашине

образуется 600 кг оксида углерода СО. В настоящее время мировой

автомобильный парк насчитывает 190 млн. машин. По прогнозам специалистов в

1980 г. их число превысит 200 млн. Эти цифры заставляют задуматься.

Отравление воздуха автомобильными выхлопными газами приняло угрожающий

характер в таких городах, как, Токио, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Рим, Москва.

Кроме этого, атмосферу загрязняют и другие вредные газы (SO2, H2S), зола,

дым, выбрасываемые многими предприятиями. В результате за последние 100 лет

количество солнечных дней вокруг промышленных центров уменьшилось на

четверть: там, где их было 200, стало 150. Во всех крупных городах мира в

результате густых грязных туманов солнечное освещение уменьшилось по

сравнению с началом XX в. на 10—30%. В Лондоне в 1952 г. за несколько дней,

пока в воздухе стоял грязный и непригодный для дыхания туман, погибло около

4000 человек. Поэтому борьба за чистоту воздуха стала одной из актуальных

проблем современной гигиены.

Известно, что зеленые растения — непревзойденные очистители и санитары

земной атмосферы. Фотосинтез — единственный процесс, который уже около 2

млрд. лет поддерживает круговорот кислорода в атмосфере Земли. Зеленые

растения — это исполинская лаборатория, вырабатывающая кислород и

поглощающая оксид углерода СО2. Ученые подсчитали, что растения земного

шара ежегодно поглощают около 86,5 млрд. т оксида СО2. В связи с этим

создание зеленых парков вокруг больших городов, устройство садов, разбивка

скверов и цветников — составная часть современного градостроительства,

столь же необходимая, как устройство водопровода и уличного освещения.

Подсчитано, что в зоне зеленых насаждений Москвы, Ленинграда, Харькова

запыленность воздуха в 2—3 раза меньше, чем на прилегающих улицах.

В течение последних лет в России остро стоит проблема лесных пожаров.

Тысячи гектаров лесных насаждений гибнут в огне. Я считаю, что если не

будут приняты чрезвычайные меры по тушению пожаров, восстановлению лесных

массивов в ближайшее время нас ждет экологическая катастрофа. Горят

заповедники, леса, гибнут уникальные растения, животные. В теплое время

года города, села… окутаны дымом. Вредные вещества в большом количестве

содержаться в воздухе, которым мы дышим. В связи, с чем возникают или

обостряются различные хронические заболевания у людей, снижается иммунитет.

Рождаются дети с врожденными пороками развития, иммунодефицитом, поражением

центральной нервной системы…

Охрана природы, заповедников существует давно. Но вероятно, на данном

этапе развития нашей страны этот вопрос остался на последнем месте.

Необходимо всем людям одуматься и бережно относиться к нашей природе. Ведь

95% всех лесных пожаров возникают по их вине.

VII. Применение кислорода.

Применение любых веществ связано с их физическими и химическими

свойствами, а также распространением их в природе.

Количество металла, производимого на душу населения,

является одной из мер уровня развития промышленности в каждой стране.

Выплавка же черных и цветных металлов невозможна без кислорода.

Сейчас в нашей стране только черная металлургия поглощает свыше 60%

получаемого кислорода. Но кислород используется еще и в цветной

металлургии.

Кислород интенсифицирует не только пирометаллургические процессы, но и

гидрометаллургические, где основной процесс извлечения металлов из руд или

их концентратов основан на воздействии специальных реагентов на водные

растворы. Так, в настоящее время основным способом извлечения золота из руд

является цианирование. Оно позволяет извлекать из золотоносных руд до 95%

золота и поэтому применяется даже при переработке руд с низким содержанием

золота. Процесс растворения золота, содержащегося в рудах, очень трудоемкая

операция. Оказалось, что растворение этого металла можно значительно

ускорить, если вместо воздуха использовать чистый кислород. Золото в

цианистых растворах образует комплексное соединение Na[Au(CN)2], которое

далее обрабатывают цинком, и в результате выделяется золото:

4Аu + 8NaCN + 2H2O + O2 = 4Na [Au(CN)2] + 4NaOH

2Na [Аu(CN)2] + Zn = Na2 [Zn (CN)4] + 2Аu

Данный метод извлечения золота из руд был разработан русским инженером

П. Р. Багратионом, родственником героя Отечественной войны 1812г.

Кислород находит широкое применение в химической промышленности. На

нужды этой отрасли в нашей стране расходуется около 30% производимого

кислорода. Замена воздуха на кислород в процессе производства серной

кислоты контактным способом повышает производительность установки в пять-

шесть раз. Но не только в этом заключается выгода от применения кислорода

вместо воздуха. Чистый кислород позволяет получить 100-процентный оксид

серы без проведения дополнительных трудоемких операций, которые необходимы

при использовании воздуха в качестве окислителя.

При получении азотной кислоты способом каталитического окисления аммиака

в качестве окислителя также используется кислород. Если содержание его в

воздухе повысить до 25%, то производительность установки возрастает в два

раза.

При участии кислорода в процессе термоокислительного крекинга в больших

масштабах получают ацетилен, который широко используется для резки и сварки

металлов и для синтезов органических веществ:

6СН4 + 4О2 = С2Н2 + 8Н2 + 3СО + СО2 + 3Н2О

Кислород применяется для получения высоких температур. Если сжигать

водород в токе кислорода, то при образовании 1 моль воды выделяется 286,3

кдж, а 2 моль — 572,6 кдж. Это же колоссальная энергия! Высокие

температуры, достигаемые в пламени таких горелок (до 3000°С), используются

для резки и сварки металлов.

Кислород служит и в космосе. Так, в двигателе второй ступени

американской космической ракеты «Центавр» окислителем служил жидкий

кислород. Кислород широко применяется и в ракетах для различных высотных

исследований.

Жидкий кислород входит в состав взрывчатых веществ. Длительное время для

различных взрывных работ применяли аммониты и другие азотсодержащие

взрывчатые вещества. Их использование представляло определенные трудности,

например сложность и опасность транспортировки, необходимость строительства

складов. В настоящее время взрывчатые вещества с жидким кислородом можно

изготовить на месте употребления. Любое пористое горючее вещество (опилки,

торф, сено, солома), будучи пропитанным жидким кислородом, становится

взрывчатым. Такие вещества называются оксиликвитами и при необходимости

могут заменить динамит при разработке рудных месторождений. При взрыве

применяют оксиликвитный патрон — простой длинный мешочек, наполненный

горючим материалом, в который вставляют электронный запал. Его заряжают

непосредственно перед закладкой в шпур путем погружения в жидкий кислород.

Шпур — это круглое отверстие, которое бурят обычно в горных породах и

наполняют взрывчатым веществом. Если взрыва оксиликвитного патрона в шпуре

почему-либо не произойдет, патрон разряжается сам в результате испарения из

него жидкого кислорода. Действие оксиликвитов основано на чрезвычайно

быстром сгорании органических веществ в чистом кислороде. Кратковременный

процесс сгорания сопровождается интенсивным выделением больших количеств

тепла и газов, что обуславливает применение оксиликвитов в качестве мощных

взрывчатых веществ, обладающих бризантным (дробящим) действием.

Кислород применяется в медицине, в авиации. В лечебной практике при

легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание, больным дают

кислород из кислородных подушек, помещают их в специальные палаты, в

которых поддерживается необходимая концентрация кислорода. Один вдох

кислорода человеком равносилен пяти вдохам воздуха. Таким образом, при

вдыхании этот газ не только поступает в организм больного в достаточном

количестве, но и сберегает силы для самого процесса дыхания. Кроме этого,

подкожное введение кислорода оказалось эффективным при лечении некоторых

заболеваний, например гангрены, тромбофлебита, слоновости и тропических

язв.

Явление «кислородного голодания» в организме может наступить и от

недостатка кислорода в окружающей среде. Например, на высоте 10000 м

барометрическое давление воздуха снижается до 217 мм рт. ст. и абсолютное

содержание кислорода в воздухе уменьшается в четыре раза. Этого количества

газа слишком мало для нормального процесса дыхания. Поэтому на больших

высотах летчики пользуются баллонами с кислородом.

VIII. Озоновый слой над Землей.

Озон — «родной брат» кислорода. Его молекула образована тремя атомами

этого химического элемента: О3. Там, где бывает электрическая искра,

появляется своеобразный запах свежести, потому что электрический разряд —

это условие для превращения кислорода воздуха в озон:

ЗО2 = 2О3

кислород озон

Запах озона мы ощущаем в воздухе после грозы. Озон есть в хвойных лесах,

особенно в сосновых. При разложении древесной смолы образуется немного

озона.

Озон нижнего слоя воздуха рассеян, содержание его небольшое. Этот газ

недолговечен, потому что вновь превращается в кислород:

2О3 = ЗО2

озон кислород

Даже в небольших количествах озон выполняет роль окислителя многих

веществ. Озоном обеззараживают водопроводную воду, очищают воздух от

болезнетворных бактерий. Из-за своей активности озон может стать опасным

для здоровья человека и животных, если будет превышен предел его

допустимого содержания в воздухе. Однако этого в природе не происходит.

Высоко над Землей, в стратосфере на высоте до 30 км (над уровнем моря)

постоянно находится тонкий слой озона, защищающий жизнь на нашей планете от

губительного действия коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца.

Озон поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение, и на Землю проникает

лишь часть его, не причиняющая особого вреда ее обитателям. Задерживаются

вредные для всего живого короткие волны, пропускаются на Землю длинные

ультрафиолетовые волны, которые безвредны.

В стратосфере озона больше, чем в приземном воздухе, однако, это не

значит, что слой образован только озоном. Лишь 1 молекула озона в озоновом

слое приходится на 100000 молекул других газов. Но этого озона достаточно

для защиты жизни на планете от действия ультрафиолетового излучения.

Чем же опасны ультрафиолетовые лучи? Они изменяют структуру

молекул белков — носителей жизни. От них страдают, прежде всего, простейшие

микроорганизмы и водоросли. Их гибель в водах Мирового океана может

привести к тому, что прервутся цепи питания, и тогда пострадают многие

крупные обитатели морских вод. Сухопутные организмы по-разному воспринимают

эти лучи. Одни животные и растения их выдерживают, другие заболевают и

гибнут. Воздействие сильного ультрафиолетового излучения может нарушить

соотношение численности хищных и травоядных животных, паразитов и их

хозяев. Понятно, что последствия таких изменений пагубно скажутся на

экологии Земли.

Длинноволновые ультрафиолетовые лучи воздействуют на кожу человека,

появляется загар. Но на коротковолновое излучение клетки кожи могут

болезненно отреагировать, появятся разного рода опухоли. Утрафиолетовое

излучение вредно и для зрения.

Вот почему так важно, что над Землей есть защитный озоновый слой!

В стратосфере озон существует довольно долго, ему там не приходится

часто встречаться с веществами-восстановителями, но если они туда

проникают, то озон реагирует с ними и его количество уменьшается. Такое

явление снижения концентрации озона в каких-то участках стратосферы

называют образованием «озоновых дыр». В последнее время зафиксировали

снижение концентрации озона в стратосфере почти на 40% над Антарктидой.

Этот плоский континент окружен океаном, над Южным полюсом образуется как бы

воронка из ветров, циркулирующих вокруг материка и приносящих вещества, с

которыми реагирует озон. Какие это вещества?

[pic]

Это искусственно полученные и очень ценные в практическом отношении

вещества — хлорфторуглеводороды разного состава, например такие:

Эти вещества получают при реакциях замещения галогенами атомов водорода

в углеводородах. Хлорфторуглеводороды — стойкие вещества, не растворяются в

воде, неядовиты, не горят, не вызывают коррозии, отличные изоляторы. Из них

делают утеплители для стен зданий, одноразовую посуду для горячих напитков.

Жидкие вещества из этой группы (фреоны) — хорошие растворители, эффективные

хладоагенты в холодильниках и кондиционерах. Их применяют в аэрозольных

баллончиках как безвредные растворители специальных веществ, в системах

автоматического пожаротушения (CBrF3).

Производство этих веществ развивалось ускоренными темпами до тех пор,

пока не обнаружили, что они, попадая в стратосферу, разрушают озон (Сейчас

стараются заменить фреоны на менее летучие вещества. Например, в качестве

хладоагентов используют фторхлорметан, а для аэрозольных баллонов применяют

сжиженные газообразные предельные углеводороды).

До стратосферы эти вещества доходят без изменений. Ведь они химически

устойчивы. А в стратосфере, где много ультрафиолетового излучения, их

молекулы разрушаются, при этом отщепляются активные атомы галогена, в

частности хлора:

[pic]

Одноатомный хлор-радикал реагирует с озоном:

03 + Сl = О2 + СlO

озон хлор кислород оксид

(радикал) хлора (II)

Под действием ультрафиолетовых лучей из озона образуется кислород,

который в момент выделения также бывает в активном одноатомном состоянии:

03 = 02 + О

озон кислород атомарный

кислород

Оксид хлора (II) реагирует с атомарным кислородом, и тогда вновь

образуется хлор-радикал, который опять разрушает озон; происходит, цепная

реакция, повторяющаяся многократно:

СlO + О = Сl + О2

оксид атомарный хлор кислород

хлора (II) кислород (радикал)

О3 + С1= О2 + СlO

Один атом хлора участвует в серии таких реакций и может разрушить до

100000 молекул озона. Хлор может «выйти из игры» тогда, когда ему

встретится молекула метана. Тогда он, присоединив к себе один атом водорода

из метана, образует хлороводород, который при растворении в воде образует

соляную кислоту. Так хлор-разрушитель возвращается на Землю в виде

кислотного дождя:

СН4 + 2С1 — СН3С1 + НС1

метан хлор хлор хлороводород

(радикал) метан (в растворе — соляная

кислота)

Даже если производство хлорфторуглеводородов будет повсеместно

сокращено, процесс разрушения озонового слоя над всей планетой будет

продолжаться. Обедненный озоном воздух постепенно рассеивается, газы в

атмосфере перемешиваются, содержащиеся в воздухе хлорфторуглеводороды будут

еще очень долго, не менее чем 100 лет, продолжать свою работу, разрушающую

озон.

В 1990 г. представители правительства 92 стран в Лондоне подписали

соглашение о полном прекращении производства хлорфторуглеводородов к 2000

г. Соблюдение этого соглашения будет условием постепенного восстановления

природного содержания озона в цтратосфере, потому что концентрация уже

попавшего в атмосферу хлора должна со временем уменьшаться, однако это

время — столетие.

IX. Заключение.

Итак, мы получили различные сведения из области химии элементов VI

группы и в большей степени о кислороде, узнали о том, где и как применяют и

получают кислород, также узнали о воздействии кислорода на нашу жизнь,

народное хозяйство и культуру.

Если после чтения моего реферата у вас возникло желание поближе

познакомиться с необъятной областью той науки, откуда почерпнуты сведения

по элементам VI группы периодической системы Д. И. Менделеева, то я

выполнила свою задачу.

X. Литература.

1. Химия. Для школьников ст. классов и поступающих в вузы: Учеб. Пособие

/ Н. Е. Кузьменкою, В. В. Еремин, В. А. Попков — 4-е изд., стереотип. —

М.: Дрофа, 2001. — 544 с.:ил.

2. Книга для чтения по неорганической химии. Кн. для учащихся. В 2 ч. Ч.

1 / сост. В. А. Крицман — 3-е изд. — М.: Просвещение, 1993. — 192 с., 8 л

ил.: ил. — ISBN 5-09-002972-5

3. Химия. Учеб. для 9 кл. сред. шк. / Ф. Г. Фельдман, Г. Е. Рудзитис —

М.: Просвещение, 1990. — 176 с.: ил. ISBN 5-09-002624-6

4. Химия: Учеб. для 8-9 кл. общеобразоват. Учреждений / Р. Г. Иванова. —

3-е изд., М.: Просвещение, 2001. — 270 с.: ил. — ISBN 5-09-010278-3

5. Путешествие по шестой группе. Элементы VI группы периодической системы

Д. И. Менделеева. Пособие для учащихся. / Г. Л. Немчанинова — М.,

«Просвещение», 1976 — 128 с.: ил.

Страницы: 1, 2, 3