Кисень: фізичні та хімічні властивості

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Історія відкриття

• В 1771 році шведський хімік Карл Шееле дослідним шляхом досліджував склад повітря, та визначив, що повітря складається з двох газів: одним з цих газів був азот, а другим, власне кисень, правда на той час сама назва «кисень» ще не з’явилася в науці.
• У 1775 році французький вчений А. Лувазье дав назву відкритого Шееле газу – кисень, він же оксиген в латині, саме слово «оксиген» означає «той, що породжує кислоти».
• За рік до офіційних «іменин кисню», в 1774 році англійський хімік Прістлі шляхом розкладання ртутного оксиду вперше отримує чистий кисень. Його досліди підкріплюють відкриття Шееле. До речі сам Шееле також намагався отримати кисень у чистому вигляді шляхом нагрівання селітри, але у нього не вийшло.
• Більш ніж через сторіччя в 1898 році англійський фізик Джозеф Томпсон вперше змусив громадськість задуматися, про те, що запаси кисню можуть закінчитися внаслідок інтенсивних викидів вуглекислого газу в атмосферу.
• У цьому ж році російський біолог Климент Тімірязєв, дослідник фотосинтезу, відкриває властивість рослин виділяти кисень.

Хоча рослини виділяють кисень в атмосферу, але проблема поставлена Томпсоном про можливу нестачу кисню в майбутньому, залишається актуальною і в наш час, особливо у зв’язку з інтенсивним вирубуванням лісів (постачальників кисню), забрудненням навколишнього середовища, спалюванням відходів тощо. Більше про це ми писали в попередній статті про екологічні проблеми сучасності.

Значення в природі

Саме наявність кисню, в поєднанні з водою призвела до того, що на нашій планеті стало можливим виникнення життя. Як ми відзначили вище, основними постачальниками цього унікального газу є різні рослини, в тому числі найбільша кількість продукованого кисню припадає на підводні водорості. Виділяють кисень і деякі види бактерій. Кисень у верхніх шарах атмосфери утворює озоновий шар, який захищає всіх жителів Землі від шкідливого ультрафіолетового сонячного випромінювання.

Будова молекули

Молекула кисню складається з двох атомів, хімічна формула має вигляд О2. Як утворюється молекула кисню? Механізм її утворення ковалентний неполярний, іншими словами за рахунок усуспільнення електронів кожного атома. Зв’язок між молекулами кисню також неполярний та ковалентний, при цьому вона подвійна, адже у кожного з атомів кисню є по два неспарених електрона на зовнішньому рівні.

Так виглядає молекула кисню, завдяки своїм характеристикам вона дуже стійка. Для багатьох хімічних реакцій з її участю потрібні спеціальні умови: нагрівання, підвищений тиск, застосування каталізаторів.

Фізичні властивості

• Насамперед, кисень є газом, з якого складається 21% повітря.
• Кисень не має ні кольору, ні смаку, ні запаху.
• Може розчинятися в органічних речовинах, поглинатися вугіллям і порошками металів.
• Температура кипіння кисню становить -183 С.
• Щільність кисню дорівнює 0,0014 г/см3

Хімічні властивості

Головною хімічною властивістю кисню є, звичайно ж, його підтримка горіння. Тобто у вакуумі, де немає кисню, вогонь не можливий. Якщо ж у чистий кисень опустити тліючу скіпку, то вона спалахне з новою силою. Горіння різних речовин це окислювально-відновний хімічний процес, в якому роль окислювача належить кисню. Окислювачі ж це речовини, що «відбирають» електрони у речовин відновників. Відмінні окисні властивості кисню обумовлені його зовнішньою електронною оболонкою.

Валентна оболонка у кисню розташована близько до ядра і як наслідок ядро притягує до себе електрони. Також кисень займає друге місце після фтору за шкалою електронегативності Полінга, з цієї причини вступаючи в хімічні реакції з усіма іншими елементами (за винятком фтору) кисень виступає негативним окислювачем. І лише вступаючи в реакції з фтором кисень має позитивну окисну дію.

А так як кисень другий окислювач по силі серед усіх хімічних елементів таблиці Менделєєва, то це визначає і його хімічні властивості.

Отримання

Для отримання кисню в лабораторних умовах застосовують метод термічної обробки або пероксидів або солей кисломістких кислот. Під дією високої температури вони розкладаються з виділенням чистого кисню. Також кисень можна отримати за допомогою перекису водню, навіть 3% розчин перекису під дією каталізатору миттєво розкладається, виділяючи кисень.

2KClO3 = 2KCl + 3O2↑ – ось так виглядає хімічна реакція отримання кисню.

Також в промисловості в якості ще одного способу отримання кисню застосовують електроліз води, під час якого молекули води розкладаються, і знову таки виділяється чистий кисень.

Використання в промисловості

У промисловості кисень активно застосовується в таких сферах як:

• Металургія (при зварюванні і вирізці металів).
• Медицина.
• Сільське господарство.
• Як ракетне паливо.
• Для очищення і знезараження води.
• Синтезу деяких хімічних сполук, включаючи вибухові речовини.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв’язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.

Ця стаття доступна англійською мовою – Oxygen.

ГДЗ (відповіді) Хімія 7 клас Григорович О.В., 2015 §17 ДОБУВАННЯ І ЗБЕРІГАННЯ КИСНЮ

1. Які умови перебігу реакцій є загальними для описаних лабораторних м етодів добування кисню? Оксигеновмісні сполуки, які при нагріванні легко розкладаються з виділенням кисню.

2. Виберіть речовини, розкладанням яких можна добути кисень:

а) калій перманганат KMnO₄ ;

3. Які реакції називають реакціями розкладу? Реакції, у яких з однієї складної речовини утворюється декілька інших речовин, називаються реакціями розкладу .

4. Як кисень добувають у промисловості? Великі кількості кисню добувають із рідкого повітря фізичним методом розділенням (ректифікацією). Спочатку повітря охолоджують до –200 °С, а потім поступово нагрівають. При –196 °С азот випаровується, а рідкий кисень залишається.

Часто в промисловості кисень добувають реакцією розкладу води — електролізом, тобто під дією електричного струму вода розкладається на дві прості речовини — кисень і водень:

5. Які речовини називаються каталізаторами? Каталізатори — це речовини, які змінюють швидкість хімічної реакції, проте самі в ній не витрачаються.

Чому каталізатори дода ють у невеликих кількостях? Оскільки каталізатори не витрачаються в процесі хімічної реакції.

Існує навіть вираз «додати реагент у каталітичній кількості», що означає «дуже мало».

6. Чим принципово відрізняються лабораторні та промислові способи д обування кисню? Вартістю початкових речовин.

7. У який спосіб можна довести наявність чистого кисню в посудині? Тліюча скібка, внесена в посудину, яскраво спалахує. На якій властивості кисню він ґрунтується? Кисень підтримує горіння.

8. Наведіть способи збирання кисню. Методом витіснення води або повітря. Методом витіснення води збирають тільки ті гази, що погано розчиняються у воді, бо розчинні у воді гази не витісняють її з посудини. Методом витіснення повітря можна збирати всі газоподібні речовини, причому спершу слід визначитись з тим, як розташовувати посудину-приймач – догори дном чи навпаки.

На яких властивостях кисню вони ґрунтуються? Кисень малорозчинний у воді і важчий за повітря.

9. У яких посудинах зберігають газуватий і рідкий кисень? Газуватий кисень зберігають у спеціальних сталевих балонах під високим тиском, щоб він займав менше місця. Рідкий кисень зберігають у спеціальних балонах — посудинах Дьюара, які за будовою нагадують звичайний термос.

10. Як відрізнити балон, у якому зберігається кисень? Балони з киснем фарбують у синій колір, щоб не сплутати їх з балонами, наповненими іншими газами. Чому не можна зма щувати вентилі кисневих балонів мастилом? Навіть залишки мастила в потоці чистого кисню спричинять сильний вибух.

Завдання для засвоєння матеріалу

Вправа 1. Назвіть лабораторні методи добування кисню. У лабораторії кисень добувають реакцією розкладу таких оксигеновмісних сполук: калій перманганат KMnO₄, калій хлорат KClO₃ (бертолетова сіль), гідроген пероксид Н₂О₂, калій нітрат KNO₃ (індійська селітра).

Напишіть відповідні рівняння реакцій.

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂↑ Над знаком ” letter-spacing: 0px; color: #808080; font-family: tahoma, arial, helvetica, sans-serif; word-spacing: 1.6px;”>2

Вправа 2. Складіть формули сполук Оксигену з Гідрогеном, Калієм, Магнієм, Алюмінієм, Карбоном (IV), Фосфором (V) і Сульфуром (VІ).

Вправа 3. У якій сполуці вміст Оксигену більший (за масовою часткою) — у калій перманганаті чи бертолетовій солі?

Масову частку елементів у сполуках обчислюємо за формулою:

w(Е)=n•Ar(Е)/M_r(сполуки), n — число атомів елемента; А_г(Е) — відносна атомна маса елемента; М_г(сполуки) — відносна молекулярна (формульна) маса сполуки.

помноживши це число на 100%, одержимо 40,5%.

Відповідь: вміст Оксигену більший у калій перманганаті.

Вправа 4. Як зміниться стан терезів, якщо в порожню склянку, яка врівноважена на терезах, через трубочку додати кисень? Рівновага порушиться, склянка з повітрям опуститься вниз, бо кисень важчий за повітря.

Вправа 5. У хімічну склянку налили розчин гідроген пероксиду масою 400 г і до дали дрібку манган (IV) оксиду. Після завершення виділення бульбашок газу в склянці залишилася вода масою 375 г. Обчисліть масу виділено го кисню.

За законом збереження маси речовин, маса речовин до реакції дорівнює масі речовин після реакції: m(H₂O₂)=m(H₂O)+m(O₂), звідси

Вправа 6. Для добування кисню у пробірку помістили калій перманганат масою 20 г. Після прожарювання у пробірці залишився твердий залишок ма сою 18 г. Обчисліть масу добутого кисню. Який об’єм займає цей кисень? (Для обчислення використовуйте дані з попереднього параграфа).

Відомо: m( KMnO ₄)=20 г, m(залишку)=18 г, ρ(О₂)=1,43 г/л

За законом збереження маси речовин, маса речовин до реакції дорівнює масі речовин після реакції: m( KMnO ₄)=m(залишку)+m(O₂), звідси

m(O₂)=m( KMnO ₄)-m(залишку)= 20 г – 18 г=2 г

З формули ρ= m/V знаходимо об’єм V = m/ ρ:

Відповідь: кисень масою 2 г займе об’єм 1,4 л

Вправа 7*. Як ви вважаєте, на чому ґрунтується дія каталізаторів? Дія каталізаторів зумовлена тим, що вони утворюють з реагентами проміжні сполуки, тому реакція відбувається у дві стадії і дуже швидко. Чому каталіза тори не витрачаються в реакціях? Бо в одних реакціях каталізатор витрачається, а в других — утворюється знову.

Вправа 8. Поясніть, чому посудину Дьюара, заповнену зрідженим газом, не мож на щільно закривати накривкою. Посудина Дьюара, завдяки вакууму між стінками майже не пропускає теплоту, тому, для підтримання температури зрідження кисню -183 0 С, кисень має випаровуватися. Його поновлюють доливанням.