Кислород. Его свойства и применение
и металлам
подгруппы хрома. Эти элементы могут проявлять различную степень окисления:
от —2 до +6.
Таблица 2
Возможные степени окисления атомов элементов VI группы
|Элемент|Степень |Элемент|Степень окисления|
| |окисления | | |
|Кислоро|-2, 0, +2, +4 |Хром |0,+2, +3,+4,+5,+6|
|д | | | |
|Сера |-2, 0, +2, +4, |Молибде|0, +1, +2, +3, |
| |+6 |н |+4, |
|Селен |-2, 0, +2, +4. | |+5, +6 |
| |+6 | | |
|Теллур |-2, 0, +2, +4, |Вольфра|0, +1, +2, +3, |
| |+6 |м |+4, +5, +6 |
|Полоний|-2, 0, +2, +4, | |+5, +6 |
| |+6 | | |
В таблице 2 приведены степени окисления атомов элементов VI группы.
У элементов главной подгруппы имеются широкие границы изменения степени
окисления: от предельно возможной отрицательной -2 до предельно
положительной, отвечающей номеру группы.
При переходе от кислорода к теллуру и от хрома к вольфраму температуры
плавления и кипения возрастают. Наименьшие температуры кипения и плавления
имеет кислород, так как поляризуемость его молекулы невелика. Этим же можно
объяснить и плохую растворимость кислорода в воде: 5 объемов О2 в 100
объемах Н2О при 0°С.
Самым тугоплавким и высококипящим среди всех металлов является вольфрам.
Температура кипения его почти 6000°С, как на поверхности Солнца. Плавится
вольфрам при 3380°С. При такой температуре большинство металлов
превращается в пар.
Высокие температуры плавления металлов VI группы объясняются тем, что у
них большая электронная плотность, т. е. большое число свободных электронов
в единице объема. Как известно, металлическая связь обусловлена
взаимодействием свободных электронов с ион-атомами. У металлов VI группы
число свободных электронов доходит до шести на каждый ион-атом, поэтому они
и тугоплавки.
Более подробно я расскажу о кислороде.
III. История открытия кислорода.
Открытие кислорода ознаменовало начало современного периода развития
химии. С глубокой древности известно, что для горения необходим воздух,
однако сотни лет процесс горения оставался непонятным. Кислород открыли
почти одновременно два выдающихся химика второй половины XVIII в. — швед
Карл Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Первым получил кислород К. Шееле,
но его работа «О воздухе и огне», в которой был описан этот газ, появилась
несколько позднее, чем сообщение Д. Пристли.
K. Шееле и Д. Пристли открыли новый элемент, но не поняли его роли в
процессах горения и дыхания. До конца дней своих они оставались защитниками
теории флогистона: горение трактовалось как распад горючего тела с
выделением флогистона, при котором каждое горючее вещество превращалось в
негорючее:
цинк = флогистон + окалина цинка
(горючее) (негорючее)
Отсюда металлы, сера и другие простые вещества считались сложными и,
наоборот, сложные вещества — простыми (известь, кислоты и т. д.).
Необходимость воздуха для горения сторонники флогистонной теории
объясняли тем, что флогистон не просто исчезает при горении, а соединяется
с воздухом или какой-либо, его частью. Если воздуха нет, то горение
прекращается, потому что флогистону не с чем соединяться.
Ф. Энгельс об открытии К. Шееле и Д. Пристли писал: оба «они не знали,
чтоб оказалось у них в руках... Элемент, которому суждено было
ниспровергнуть все флогистонные воззрения и революционизировать химию,
пропадал в их руках совершенно бесплодно». Далее Ф. Энгельс писал, что
открытие кислорода принадлежит Лавуазье, так как К. Шееле и Д. Пристли даже
не догадывались, что они описывают.
Освобождение химии от теории флогистона произошло в результате введения
в химию точных методов исследования, начало которым было положено трудами
М. В. Ломоносова. В 1745—1748 гг. М. В. Ломоносов экспериментально доказал,
что горение — это реакция соединения веществ с частицами воздуха.
Десять лет (1771—1781) были потрачены французским химиком Антуаном
Лавуазье на подтверждение справедливости теории горения как химического
взаимодействия различных веществ с кислородом. Приступая к изучению явлений
горения и «обжигания» металлов, он писал: «Я предполагаю повторить все
сделанное предшественниками, принимая всевозможные меры предосторожности,
чтобы объединить уже известное о связанном или освобождающемся воздухе с
другими фактами и дать новую теорию. Работы упомянутых авторов, если их
рассматривать с этой точки зрения, дают мне отдельные звенья цепи... Но
надо сделать очень многие опыты, чтобы получить полную последовательность».
Соответствующие опыты, начатые в октябре 1772 г., были поставлены А.
Лавуазье строго количественно, с тщательным взвешиванием исходных и
конечных продуктов реакций. Он нагревал ртуть в запаянной реторте и
наблюдал уменьшение объема воздуха в ней, образование красных чешуек
«ртутной окалины». В другой реторте он разложил полученную в предыдущем
опыте «ртутную окалину», получил ртуть и небольшой объем того газа, который
Д. Пристли назвал «дефлогистированным воздухом», и сделал вывод: сколько
расходуется воздуха на превращение ртути в окалину, столько и выделяется
его вновь при разложении окалины.
Остаток воздуха в реторте, который не участвовал в реакции, стали
называть азотом, что означало безжизненный (в переводе с греч. «а» —
отрицание, «зое» — жизнь). Газ, образовавшийся в результате разложения
«ртутной окалины», проявлял противоположные азоту свойства — поддерживал
дыхание и горение. Поэтому А. Лавуазье назвал его «жизненный». Позднее это
название он заменил латинским словом «оксигенум», заимствованным из
греческого языка, где слово «оксюс» означает кислый, а «геннао» — рождаю,
произвожу (рождающий кислоту). На русский язык название элемента переведено
буквально — «кислород».
Итак, в 1777 г. была выяснена сущность горения. И надобность во
флогистоне—«огненной материи» — отпала. Кислородная теория горения пришла
на смену флогистонной.
IV. Биологическая роль кислорода.
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
| | скачать работу |
Кислород. Его свойства и применение |