Кислород. Его свойства и применение
отропическая 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
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 гор
| |  скачать работу |
Кислород. Его свойства и применение |
