Строение и свойства кислорода. Получение кислорода
Задача 834.
Исходя из строения атома кислорода, указать его валентные возможности. Какие степени окисленности проявляет кислород в соединениях?
Решение:
Распределение электронов внешнего электронного уровня кислорода…2s22p4 (учитывая правило Хунда, получим: 2s22pх22ру12рz1) по квантовым ячейкам имеет вид:
На валентном энергетическом уровне имеется два неспаренных электрона. Таким образом, на внешнем электронном слое атома кислорода содержится шесть электронов – два на s-подуровне и четыре на р-подуровне. Атом кислорода отличается от атомов элементов своей подгруппы тем, что у него отсутствует d-подуровень на внешнем энергетическом уровне. Такая электронная структура атома кислорода обуславливает большие энергетические затраты на «распаривание» его электронов, не компенсируемые энергией образования новых ковалентных связей. К тому же атому кислорода выгоднее присоединять электроны, чем отдавать. Поэтому ковалентность (валентность) кислорода, как правило, равна 2. По величине электроотрицательности кислород уступает только фтору, только в соединениях с атомом фтора степень окисления кислорода равна +2 (OF2). В соединениях со всеми другими элементами степень окисления кислорода отрицательна и обычно равна -2, за исключением как в перооксидах, где степень окисления его равна -1 (Н2О2).
Задача 835.
Указать лабораторные и промышленные способы получения кислорода, перечислить важнейшие области его практического применения.
Решение:
Лабораторные способы получения кислорода:
1). Электролиз водных растворов щелочей. При электролизе раствора щёлочи, например, едкого натра на катоде водород, а на аноде – кислород:
(4ОН- = О2↑ + 2Н2О + 4
).
2). Можно получить кислород при взаимодействии раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида водорода:
2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O + 5O2↑
3). При термическом разложении некоторых кислородсодержащих веществ, например:
4). Каталитическое разложение пероксида водорода:
5). Взаимодействием пероксидов щелочных металлов с углекислым газом:
2К2О2 + 2СО2 ↔ 2К2СО3 + O2↑.
Промышленные способы получения кислорода:
1). Сжижение воздуха при низких температурах и его дальнейшей фракционной перегонке. Вначале из жидкого воздуха отгоняют азот, затем углекислый газ, а в жидком состоянии остаётся почти чистый кислород. Объясняется это тем, что у кислорода более высокая температура кипения, чем у азота и углекислого газа.
2). Электролиз воды. Для этого проводят электролиз раствора КОН на железном катоде и никелевом аноде, которые разделены асбестовой диффузной диафрагмой. На электродах происходят следующие процессы:
На катоде: 4Н2О + 4 = 2Н2↑+ 4ОН-
На аноде: 4ОН- + 4 = О2↑ + 2Н2О
Важнейшие области практического применения кислорода:
1). Получение высоких температур. Для чего различные газы (водород, ацетилен, «светильный газ» и т. д.) сжигают в специальных горелках.
2). Кислород используют в медицине при затруднении дыхания.
3). Кислород используют для интенсификации ряда важнейших производственных процессов в металлургической и химической промышленности, например, в доменном процессе, в производстве серной кислоты и других процессах.
4). Взрывчатые смеси. Применяемые при подрывных работах, так называемые оксиликвиты, представляют собой смеси жидкого кислорода с угольным порошком, древесной мукой или другими горючими веществами.
5). Жидкий кислород применяют в ракетах, а также для приготовления дыхательных смесей.
Задача 836.
Дать характеристику молекулярного кислорода О2, указав: а) его химические свойства; б) строение молекулы по методу МО; в) магнитные свойства молекулы. С какими простыми веществами кислород непосредственно не взаимодействует?
Решение:
а) Химические свойства кислорода.
Кислород, обладая высокой электроотрицательностью, образует соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, аргона и неона. Скорость взаимодействия кислорода как с простыми, так и со сложными веществами зависит от природы вещества и от температуры в системе. Некоторые вещества, например, оксид азота (II), гемоглобин крови и др., уже при комнатной температуре соединяются со значительной скоростью. При применении катализаторов многие реакции с кислородом протекают со взрывом, например, в присутствии дисперсной платины смесь водорода и кислорода воспламеняется со взрывом при комнатной температуре:
2Н2 + О2 ↔ 2Н2О.
В обычных условиях эта реакция протекает только при нагревании (смесь водорода с кислородом в отношении 2 : 1 взрывается от удара). Характерной особенностью реакций различных веществ с кислородом является то, что во внешнюю среду выделяется теплота и свет, т. е. наблюдается горение вещества. Реакция горения веществ встречается в природе, в промышленности, например, горение органических веществ (природный газ, торф, растительный покров и др.). При горении органических веществ всегда выделяется углекислый газ, вода, теплота и свет:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.
Металлы и неметаллы при взаимодействии с кислородом образуют оксиды:
S + O2 = SO2;
4Na + O2 = 2Na2O.
В реакциях кислород проявляет свойства окислителя, т. е. свойства элемента, атомом которого присоединяет электроны от атомов других элементов, понижая при этом свою степень окисления, обычно от 0 до -2. В некоторых случаях, например при образовании пероксида водорода кислород проявляет свою степень окисления -1 (H2+1O2-1 ). Медленно протекающие реакции кислорода с органическими веществами называются тлением или окислением:
б) Строение молекулы кислорода по методу МО:
Энергетическая схема образования молекулярных орбиталей молекулы О2 имеет вид:
Кратность связи (n) равна:
n = (6 -2)/2 = 2.
Кратность 2 указывает на наличие в молекуле О2 двух ковалентных связей.
в) Наличие двух неспаренных электронов на πу(разр.) и πz(разр.) - орбиталях в молекуле О2 указывает на парамагнитность молекулы – жидкий кислород притягивается магнитом. Кислород непосредственно не взаимодействует с галогенами (F2, Cl2, Br2, I2), золотом и платиной. С инертными газами, такими как гелий, неон и аргон кислород даже не образует соединения.
