Строение и химические свойства озона. Применение озона

 

Задача 837. 
Описать электронное строение молекулы O₃, сравнить химическую активность озона и молекулярного кислорода O₂. Как получить озон из молекулярного кислорода?
Решение:
Электронное строение трёхатомной молекулы озона можно представить схемой:

Установлено, что все связи центрального атома кислорода с двумя другими атомами кислорода одинаковы (равноценны) как по длине, так и по энергии. Значит σ- связь, образованная негибридизированными р-орбиталями, является трёхцентровой ковалентной, т.е. электронная  - пара делокализована и принадлежит в равной степени всем трём атомам кислорода. Молекула О₃ построена в форме равнобедренного треугольника, угол при вершине треугольника 117⁰, что указывает на то, что, центральный атом кислорода находится в состоянии sp² – гибридизации. Гибридная sp² – орбиталь, содержащая один электрон в центральном атоме, перекрывается с негибридной р_х – орбиталью одного из крайних атомов кислорода, образуя  σ - связь. Не участвующая в гибридизации р_z – орбиталь центрального атома перекрывается с р_z – орбиталью другого атома кислорода, образуя σ - связь. Наконец, выступая в качестве донора электронной пары центральный атом кислорода, образует с другим атомом кислорода σ - связь по донорно-акцепторному механизму. Структуру молекулы О₃ можно представить схемой:

Рис.3. Структура молекулы О₃

или

Озон как и кислород является сильнейшим окислителем. Он окисляет все металлы, кроме золота и платины. Озон переводит низшие оксиды в высшие, а сульфаты металлов – в их сульфиты. В ходе этих реакций молекула озона теряет один атом кислорода, переходит в молекулу кислорода.

Из раствора иодида калия озон выделяет йод (качественная реакция на О₃):

2KI + H₂O + O₃ = I₂ + 2KOH + O₂ 

Таким образом, озон более сильный окислитель, чем кислород.

Озон можно получить из молекулярного кислорода действием на последний тихих электрических разрядов:

3О₂ = 2О₃,  ΔН⁰  = -285кДж.

В природе озон образуется под действием электрических разрядов.

---

Задача 838. 
Может ли при комнатной температуре протекать реакция взаимодействия кислорода: а) с водородом; б) с азотом? Ответ мотивировать, используя табличные данные стандартных значений энергии Гиббса образования веществ, участвующих в процессах.
Решение:
Уравнение реакции взаимодействия водорода с кислородом имеет вид:

2Н_2(г) + О_2(г)  = 2Н₂О_(г),  ΔН⁰ = -285,8 кДж.

Реакция протекает с большим выделением теплоты. Энергия Гиббса образования Н₂О имеет отрицательное значение (-228,8 кДж/моль), 
ΔG⁰ < O, что указывает на возможность протекания реакции в при стандартных условиях. Но в обычных условиях реакция кислорода с водородом практически не протекает. Малая скорость взаимодействия кислорода с водородом обусловлена высокой энергией активации данного процесса. Молекулы кислорода и водорода очень прочны; любое столкновение между ними при комнатной температуре, оказывается не эффективным. Лишь при повышенных температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся молекул делается большой, некоторые соударения молекул становятся эффективными и приводят к образованию активных центров. Применение высоких температур способствует к увеличению скорости  данной реакции. При 300 ⁰С реакция протекает со скоростью в несколько дней, а при 500 ⁰С кислород и водород полностью прореагируют за несколько часов, при 700 ⁰С происходит быстрый подъём температуры и реакция заканчивается взрывом. Поэтому, чтобы вызвать взрыв смеси водорода с кислородом, нужно подогреть её хотя бы в одном месте до 700 ⁰С.

б) При обычных условиях кислород и азот не реагируют друг с другом. Объяснить это можно тем, что энергия Гиббса всех оксидов азота имеет положительное значение,  ΔG⁰  > 0. Из табличных данных следует, что энтальпия образования всех оксидов азота тоже положительна, т. е. данные реакции являются эндотермическими. Малая скорость взаимодействия кислорода с азотом объясняется высокой энергией активации этих процессов. Молекулы кислорода и азота очень прочны, поэтому чтобы сделать кинетическую энергию сталкивающихся молекул большой необходимо очень сильно повысить температуру системы. И только при достаточно высокой температуре некоторые соударения молекул кислорода и азота становятся эффективными и приводят к образованию активных центров. Так кислород и азот взаимодействуют при температуре электрической дуги (3000 – 4000 ⁰С):

N₂ + O₂  2NO

Это эндотермическая реакция, поэтому наблюдается тенденция к уменьшению внутренней энергии, что способствует протеканию данного процесса в обратном направлении, а тенденция к увеличению вероятности состояния вызывает её частичное протекание в прямом направлении. Поэтому, чтобы система N₂ + O₂ = 2NO достигла наиболее вероятного  состояния, необходима высокая температура. Поэтому все оксиды азота получают косвенным путём. 

---

Задача 839. 
После озонирования при постоянной температуре некоторого объема кислорода установлено, что объем газа, приведенный к исходному давлению, уменьшился на 500 мл. Какой объем озона образовался? Какое количество теплоты поглотилось при его образовании, если для озона ΔН⁰₂₉₈о   = 144,2 кДж/моль?
Решение:
Уравнение реакции:

3О₂ ↔ 2О₃

Из уравнения реакции следует, что из 3 моль кислорода образуется 2 моль озона, т.е. объём системы уменьшается на 1 моль. Можно записать соотношение, показывающее зависимость от образовавшегося объёма озона и уменьшением объёма системы, получим:

2 : 1 = х : 0,5;  х = (2 . 0,5)/1 = 1л.

Находим ΔН⁰   реакции:

 ΔН⁰ _х.р. = 2 ΔН⁰ (O₃) - 3 ΔН⁰ (O₂) = (2 ^. 144,2) – 3 ^. 0 = 288,4 кДж.

Количество теплоты рассчитаем из пропорции:

2 : 22,4 : 288,4 = 1 : х;  х = (288,4 . 1)/ (2 ^. 22,4) = 6,44 кДж.

Ответ: 1л О₃; 6,44 кДж.

---