Az oxigénatom szerkezete. Oxigén: az elem kémiai tulajdonságai

MEGHATÁROZÁS

Oxigén- a periódusos rendszer nyolcadik eleme. Nem fémekre utal. alcsoport VI A csoportjának második periódusában található.

A sorszám 8. Az atommag töltése +8. Atomtömeg - 15.999 amu Az oxigén három izotópja fordul elő a természetben: 16 O, 17 O és 18 O, amelyek közül a 16 O a leggyakoribb (99,762%).

Az oxigénatom elektronszerkezete

Az oxigénatomnak két héja van, mint minden elem, amely a második periódusban található. A -VI (kalkogén) csoportszám azt jelzi, hogy a nitrogénatom külső elektronszintjén 6 vegyértékelektron található. Magas oxidáló képességgel rendelkezik (csak a fluor magasabb).

Rizs. 1. Az oxigénatom szerkezetének sematikus ábrázolása.

Az alapállapot elektronikus konfigurációja a következőképpen van felírva:

1s 2 2s 2 2p 4 .

Az oxigén a p-család egyik eleme. A gerjesztetlen állapotban lévő vegyértékelektronok energiadiagramja a következő:

Az oxigénnek 2 pár páros elektronja és két párosítatlan elektronja van. Az oxigén minden vegyületében II. vegyértéket mutat.

Rizs. 2. Az oxigénatom szerkezetének térbeli képe.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

MEGHATÁROZÁS

Oxigén- a kémiai elemek periódusos rendszerének VIA csoportjának második periódusának eleme D.I. Mengyelejev, 8-as rendszámmal. Szimbólum - O.

Atomtömeg - 16 óra Az oxigénmolekula kétatomos, képlete - O 2

Az oxigén a p-elemek családjába tartozik. Az oxigénatom elektronkonfigurációja 1s 2 2s 2 2p 4. Az oxigén vegyületeiben többféle oxidációs állapotot képes felmutatni: „-2”, „-1” (peroxidokban), „+2” (F 2 O). Az oxigénre jellemző az allotrópia jelenségének megnyilvánulása - több egyszerű anyag - allotróp módosulások formájában való létezése. Az oxigén allotróp módosulatai az oxigén O 2 és az ózon O 3.

Az oxigén kémiai tulajdonságai

Az oxigén erős oxidálószer, mert hogy befejezze a külső elektronikus szint mindössze 2 elektron hiányzik belőle, és ezeket könnyen megragadja. Reaktivitás tekintetében az oxigén a fluor után a második helyen áll. Az oxigén minden elemmel vegyületeket képez, kivéve a héliumot, a neont és az argont. Az oxigén közvetlenül reagál halogénekkel, ezüsttel, arannyal és platinával (vegyületeiket közvetetten nyerik). Szinte minden oxigént érintő reakció exoterm. Funkció az oxigénnel való kombináció sok reakciója - nagy mennyiségű hő és fény felszabadulása. Az ilyen folyamatokat égésnek nevezik.

Az oxigén kölcsönhatása fémekkel. Így alkálifémek(a lítium kivételével) az oxigén peroxidokat vagy szuperoxidokat képez, a többi pedig oxidokat. Például:

4Li + O 2 = 2Li 2O;

2Na + O 2 \u003d Na 2O 2;

K + O 2 \u003d KO 2;

2Ca + O 2 \u003d 2CaO;

4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2O 3;

2Cu + O 2 \u003d 2CuO;

3Fe + 2O 2 \u003d Fe 3 O 4.

Oxigén kölcsönhatása nem fémekkel. Az oxigén és nem fémek kölcsönhatása hevítéskor megy végbe; minden reakció exoterm, kivéve a nitrogénnel való kölcsönhatást (a reakció endoterm, 3000 C-on megy végbe elektromos ív, a természetben - villámkisülés során). Például:

4P + 5O 2 \u003d 2P 2 O 5;

C + O 2 \u003d CO 2;

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2O;

N 2 + O 2 ↔ 2NO - Q.

Kölcsönhatás komplexussal szervetlen anyagok. Ha összetett anyagokat oxigénfeleslegben égetnek el, a megfelelő elemek oxidjai képződnek:

2H 2S + 3O 2 \u003d 2SO 2 + 2H 2O (t);

4NH3 + 3O 2 \u003d 2N2 + 6H2O (t);

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (t, kat);

2PH 3 + 4O 2 = 2H 3PO 4 (t);

SiH 4 + 2O 2 \u003d SiO 2 + 2H 2 O;

4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8 SO 2 (t).

Az oxigén képes az oxidokat és hidroxidokat magasabb oxidációs állapotú vegyületekké oxidálni:

2CO + O 2 \u003d 2CO 2 (t);

2SO 2 + O 2 = 2SO 3 (t, V 2 O 5);

2NO + O 2 \u003d 2NO 2;

4FeO + O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 (t).

Kölcsönhatás összetett szerves anyagokkal. Szinte minden szerves anyag ég, a légköri oxigén hatására szén-dioxiddá és vízzé oxidálódik:

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + H 2 O.

Az égési reakciók (teljes oxidáció) mellett lehetségesek részleges vagy katalitikus oxidációs reakciók is, amelyekben a reakciótermékek alkoholok, aldehidek, ketonok, karbonsavakés egyéb anyagok:

A szénhidrátok, fehérjék és zsírok oxidációja energiaforrásként szolgál az élő szervezetben.

Az oxigén fizikai tulajdonságai

Az oxigén a legnagyobb mennyiségben előforduló elem a Földön (47 tömegszázalék). A levegő 21 térfogatszázalék oxigént tartalmaz. Oxigén - összetevő víz, ásványi anyagok, szerves anyagok. A növényi és állati szövetek 50-85% oxigént tartalmaznak különféle vegyületek formájában.

Szabad állapotban az oxigén színtelen, íztelen és szagtalan gáz, vízben rosszul oldódik (3 liter oxigén 100 liter vízben 20 C-on oldódik. Folyékony oxigén kék szín, paramágneses tulajdonságokkal rendelkezik (mágneses térbe kerül).

Oxigén beszerzése

Léteznek ipari és laboratóriumi módszerek az oxigén előállítására. Tehát az iparban az oxigént folyékony levegő desztillálásával nyerik, és az oxigén megszerzésének fő laboratóriumi módszerei közé tartoznak az összetett anyagok termikus bomlásának reakciói:

2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

4K 2 Cr 2 O 7 \u003d 4K 2 CrO 4 + 2Cr 2 O 3 + 3 O 2

2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + O 2

2KClO 3 \u003d 2KCl + 3 O 2

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

A feladat

95 g higany(II)-oxid lebontásakor 4,48 liter oxigén (N.O.) keletkezett. Számítsa ki a lebontott higany(II)-oxid arányát (tömeg%)!

Megoldás

Írjuk fel a higany-oxid (II) bomlásának reakcióegyenletét: 2HgO \u003d 2Hg + O 2. A felszabaduló oxigén mennyiségének ismeretében megtaláljuk az anyag mennyiségét: mol. Az n (HgO) reakcióegyenlet szerint: n (O 2) \u003d 2: 1, ezért n (HgO) \u003d 2 × n (O 2) \u003d 0,4 mol. Számítsuk ki a lebontott oxid tömegét! Egy anyag mennyiségét az anyag tömegéhez viszonyítjuk a következő arányban: A higany(II)-oxid moláris tömege (1 mól molekulatömege), a D.I. kémiai elemeinek táblázatával számítva. Mengyelejev - 217 g/mol. Ekkor a higany-oxid tömege (II) egyenlő: m(HgO) = n(HgO) × M(HgO) \u003d 0,4 × 217 \u003d 86,8 g. Határozzuk meg a lebontott oxid tömeghányadát:

Az oxigén a VI. második periódusában van főcsoport a periódusos rendszer elavult rövid változata. Az új számozási szabványok szerint ez a 16. csoport. A megfelelő döntést az IUPAC hozta meg 1988-ban. Az oxigén képlete a következő egyszerű anyag- Körülbelül 2. Vegye figyelembe főbb tulajdonságait, szerepét a természetben és a gazdaságban. Kezdjük a periódusos rendszer teljes csoportjának jellemzőivel, amelynek élén az oxigén áll. Az elem különbözik a rokon kalkogénektől, a víz pedig a hidrogéntől, a szeléntől és a tellúrtól. Magyarázat mindenkinek megkülönböztető tulajdonságok csak az atom szerkezetének és tulajdonságainak megismerésével lehet megtalálni.

A kalogének az oxigénnel rokon elemek.

A hasonló tulajdonságokkal rendelkező atomok egy csoportot alkotnak periodikus rendszer. Az oxigén a kalkogéncsalád élén áll, de számos tulajdonságban különbözik tőlük.

A csoport ősének, az oxigénnek az atomtömege 16 amu. m) A hidrogénnel és fémekkel képződő kalkogének szokásos oxidációs állapotukat mutatják: -2. Például a víz (H 2 O) összetételében az oxigén oxidációs száma -2.

A kalogének tipikus hidrogénvegyületeinek összetétele a következő általános képletnek felel meg: H 2 R. Amikor ezek az anyagok feloldódnak, savak keletkeznek. Csak hidrogén kötés oxigén – víz – különleges tulajdonságokkal rendelkezik. A tudósok szerint ez a szokatlan anyag egyszerre nagyon gyenge sav és nagyon gyenge bázis.

A kén, a szelén és a tellúr tipikus pozitív oxidációs állapotú (+4, +6) az oxigénnel és más nagy elektronegativitású (EO) nemfémekkel rendelkező vegyületekben. A kalkogén-oxidok összetétele tükrözi általános képletek: RO 2 , RO 3 . A megfelelő savak összetétele: H 2 RO 3 , H 2 RO 4 .

Az elemek egyszerű anyagoknak felelnek meg: oxigén, kén, szelén, tellúr és polónium. Az első három képviselő nem fémes tulajdonságokat mutat. Az oxigén képlete O 2. Ugyanennek az elemnek az allotróp módosulata az ózon (O 3). Mindkét módosítás gáz. A kén és a szelén szilárd nemfémek. A tellúr egy metalloid anyag, vezető elektromos áram, a polónium egy fém.

Az oxigén a leggyakoribb elem

Azt már tudjuk, hogy ugyanannak a kémiai elemnek egy másik fajtája is létezik egyszerű anyag formájában. Ez az ózon, a földfelszíntől körülbelül 30 km-es magasságban réteget képező gáz, amelyet gyakran ózonszűrőnek neveznek. A kötött oxigén megtalálható a vízmolekulákban, számos kőzet és ásvány összetételében, szerves vegyületek.

Az oxigénatom szerkezete

Mengyelejev periódusos táblázata teljes információt tartalmaz az oxigénről:

1. Az elem sorszáma 8.
2. Magtöltés - +8.
3. Az elektronok teljes száma 8.
4. Az oxigén elektronikus képlete: 1s 2 2s 2 2p 4.

Három van a természetben stabil izotópok, amelyek a periódusos rendszerben azonos sorszámmal rendelkeznek, a protonok és az elektronok összetétele azonos, de eltérő szám neutronok. Az izotópokat ugyanaz a szimbólum jelöli - O. Összehasonlításképpen bemutatunk egy diagramot, amely három oxigénizotóp összetételét tükrözi:

Az oxigén tulajdonságai - kémiai elem

Az atom 2p alszintjén két párosítatlan elektron található, ez magyarázza a -2 és +2 oxidációs állapotok megjelenését. A két páros elektront nem lehet szétválasztani, hogy az oxidációs állapotot +4-re növeljük, mint a kén és más kalkogén esetében. Ennek oka az ingyenes alszint hiánya. Ezért a vegyületekben kémiai elem az oxigén nem mutat vegyértéket és oxidációs állapotot, amely megegyezik a csoportszámmal rövid változat periodikus rendszer (6). Szokásos oxidációs száma -2.

Csak a fluort tartalmazó vegyületekben mutat pozitív +2 oxidációs állapotot az oxigén, ami nem jellemző rá. Két erős nemfém EO értéke eltérő: EO(O) = 3,5; EO (F) = 4. Mint elektronegatívabb kémiai elem, a fluor erősebben tartja elektronjait, és vonzza a vegyértékrészecskéket az oxigénatomokhoz. Ezért a fluorral való reakcióban az oxigén redukálószer, elektronokat ad át.

Az oxigén egy egyszerű anyag

D. Priestley angol kutató 1774-ben a kísérletek során gázt bocsátott ki a higany-oxid bomlása során. Két évvel korábban K. Scheele ugyanezt az anyagot tiszta formájában szerezte be. Csak néhány évvel később A. Lavoisier francia kémikus megállapította, hogy milyen gáz a levegő része, és megvizsgálta a tulajdonságait. Kémiai formula oxigén - O 2. Az anyag összetételének rögzítésében tükrözzük a nempoláris képződésben részt vevő elektronokat kovalens kötés- Ó:: Ó. Helyettesítsünk minden kötő elektronpárt egy egyenesre: O=O. Ez az oxigénképlet világosan mutatja, hogy a molekulában lévő atomok két közös elektronpár között kapcsolódnak össze.

Végezzünk el egyszerű számításokat, és határozzuk meg, mekkora az oxigén relatív molekulatömege: Mr (O 2) \u003d Ar (O) x 2 \u003d 16 x 2 \u003d 32. Összehasonlításképpen: Mr (levegő) \u003d 29. Az oxigén képlete különbözik egy oxigénatomtól. Ez azt jelenti, hogy Mr (O 3) \u003d Ar (O) x 3 \u003d 48. Az ózon másfélszer nehezebb, mint az oxigén.

Fizikai tulajdonságok

Az oxigén színtelen, íztelen és szagtalan gáz (normál hőmérsékleten és légköri nyomáson). Az anyag valamivel nehezebb a levegőnél; vízben oldódik, de kis mennyiségben. Az oxigén olvadáspontja negatív és -218,3 °C. Az a pont, ahol a folyékony oxigén visszaváltozik gáznemű oxigénné, a forráspontja. O 2 molekuláknál ennek értéke fizikai mennyiség eléri a -182,96 °C-ot. Folyékony és szilárd állapotban az oxigén világoskék színt kap.

Oxigén beszerzése a laboratóriumban

Ha oxigéntartalmú anyagokat, például kálium-permanganátot melegítenek, színtelen gáz, amely lombikban vagy kémcsőben gyűjthető. Ha egy világító fáklyát tiszta oxigénbe viszel, az erősebben ég, mint a levegőben. Két másik laboratóriumi módszer oxigénszerzésre a hidrogén-peroxid és a kálium-klorát (berthollet-só) lebontása. Tekintsük a hőbontáshoz használt eszköz sémáját.

Kémcsőbe vagy gömblombikba öntsünk egy kevés berthollet sót, zárjuk le gázkivezető csővel ellátott dugóval. Ellenkező végét (víz alá) a fejjel lefelé fordított lombik felé kell irányítani. A nyakat le kell engedni egy széles pohárba vagy vízzel töltött kristályosítóba. Amikor a Berthollet-sót tartalmazó kémcsövet felmelegítik, oxigén szabadul fel. A gázkivezető csövön keresztül belép a lombikba, kiszorítva belőle a vizet. Amikor a lombikot megtöltjük gázzal, víz alá zárjuk egy dugóval, és megfordítjuk. Az ebben a laboratóriumi kísérletben kapott oxigén felhasználható egy egyszerű anyag kémiai tulajdonságainak tanulmányozására.

Égés

Ha a laboratórium oxigénben éget anyagokat, akkor tudnia kell és figyelnie kell tűzvédelmi szabályzat. A hidrogén a levegőben azonnal ég, oxigénnel 2:1 arányban keverve robbanásveszélyes. Az anyagok égése a tiszta oxigénben sokkal intenzívebb, mint a levegőben. Ezt a jelenséget a levegő összetétele magyarázza. Az oxigén a légkörben valamivel több, mint 1/5 része (21%). Az égés az anyagok oxigénnel való reakciója, melynek eredményeként különféle termékek képződnek, elsősorban fémek és nemfémek oxidjai. Az O 2 éghető anyagokkal alkotott keverékei gyúlékonyak, ráadásul a keletkező vegyületek mérgezőek is lehetnek.

Egy közönséges gyertya (vagy gyufa) elégetése szén-dioxid képződéssel jár. A következő tapasztalat otthon is elvégezhető. Ha anyagot éget el alatta üveg korsó vagy egy nagy üveg, az égés leáll, amint az összes oxigén elfogy. A nitrogén nem támogatja a légzést és az égést. A szén-dioxid, az oxidáció terméke, már nem reagál oxigénnel. Az átlátszó lehetővé teszi a gyertya megégése utáni jelenlétének észlelését. Ha az égéstermékeket kalcium-hidroxidon vezetik át, az oldat zavarossá válik. Kémiai reakció megy végbe a mészvíz és a szén-dioxid között, ami oldhatatlan kalcium-karbonátot eredményez.

Oxigén előállítása ipari méretekben

A legolcsóbb eljárás, amely levegőmentes O 2 molekulákat eredményez, nem jár kémiai reakciókkal. Az iparban mondjuk a kohászati ​​üzemekben a levegő alacsony hőmérsékleten ill magas nyomású felenged. Ilyen lényeges komponensek atmoszférában, mint a nitrogén és az oxigén, forr különböző hőmérsékletek. Válasszuk szét a levegőkeveréket, miközben fokozatosan normál hőmérsékletre melegítjük. Először nitrogén molekulák szabadulnak fel, majd oxigén. Az elválasztási módszer az egyszerű anyagok eltérő fizikai tulajdonságain alapul. Az oxigén egyszerű anyagának képlete ugyanaz, mint a levegő hűtése és cseppfolyósítása előtt - O 2.

Egyes elektrolízises reakciók eredményeként oxigén is felszabadul, az a megfelelő elektródán gyűlik össze. Gázra nagy mennyiségben van szükségük az ipari és építőipari vállalkozásoknak. Az oxigén iránti igény folyamatosan növekszik, különösen a vegyiparban. A keletkező gázt ipari és gyógyászati ​​célokra jelöléssel ellátott acélpalackokban tárolják. Az oxigéntartályokat kékre vagy ciánra festették, hogy megkülönböztessék őket másoktól. cseppfolyósított gázok- nitrogén, metán, ammónia.

Kémiai számítások az O 2 molekulákat érintő reakciók képlete és egyenletei szerint

Numerikus érték moláris tömeg oxigén egybeesik egy másik értékkel - a relatív molekulatömeggel. Csak az első esetben vannak mértékegységek. Röviden, az oxigén anyagának képletét és moláris tömegét a következőképpen kell felírni: M (O 2) \u003d 32 g / mol. Normál körülmények között bármely gáz mólja 22,4 liter térfogatnak felel meg. Ez azt jelenti, hogy 1 mol O 2 22,4 liter anyag, 2 mol O 2 44,8 liter. Az oxigén és a hidrogén reakcióegyenlete alapján látható, hogy 2 mol hidrogén és 1 mol oxigén lép kölcsönhatásba:

Ha 1 mol hidrogén vesz részt a reakcióban, akkor az oxigén térfogata 0,5 mol lesz. 22,4 l / mol \u003d 11,2 l.

Az O 2 molekulák szerepe a természetben és az emberi életben

Az oxigént a Föld élőlényei fogyasztják, és több mint 3 milliárd éve vesz részt az anyag körforgásában. Ez a légzés és az anyagcsere fő anyaga, segítségével a molekulák lebomlanak. tápanyagok, szintetizálódik a szervezetek számára szükséges energia. A Földön folyamatosan fogyasztják az oxigént, de tartalékait fotoszintézis útján pótolják. K. Timirjazev orosz tudós úgy vélte, hogy ennek a folyamatnak köszönhetően még mindig létezik élet bolygónkon.

Az oxigén szerepe a természetben és a gazdaságban nagy:

• az élő szervezetek légzési folyamatában felszívódnak;
• részt vesz a növények fotoszintézis-reakcióiban;
• szerves molekulák része;
• a bomlási, fermentációs, rozsdásodási folyamatok oxigén részvételével zajlanak, amely oxidálószerként működik;
• a szerves szintézis értékes termékeinek előállítására használják.

A hengerekben lévő cseppfolyósított oxigént fémek vágására és hegesztésére használják magas hőmérsékleten. Ezeket a folyamatokat a gépgyártó üzemekben, a szállító- és a építőipari cégek. Víz alatti, földalatti, beépített munkákhoz nagy magasságban levegőtlen térben az embereknek O 2 molekulákra is szükségük van. a gyógyászatban a betegek által belélegzett levegő összetételének gazdagítására használják. Az orvosi célú gáz a szennyeződések és szagok szinte teljes hiányában különbözik a műszaki gáztól.

Az oxigén az ideális oxidálószer

Az oxigénvegyületek a periódusos rendszer összes kémiai elemével ismertek, kivéve a család első képviselőit nemesgázok. Sok anyag közvetlenül reagál O atomokkal, kivéve a halogéneket, az aranyat és a platinát. Nagyon fontos oxigénnel kapcsolatos jelenségeik vannak, amelyek fény- és hőkibocsátással járnak. Az ilyen folyamatokat széles körben alkalmazzák a mindennapi életben és az iparban. A kohászatban az ércek oxigénnel való kölcsönhatását pörkölésnek nevezik. Az előzúzott ércet oxigénnel dúsított levegővel keverik össze. Magas hőmérsékleten a fémek szulfidokból egyszerű anyagokká redukálódnak. Így nyerik a vasat és néhány színesfémet. A tiszta oxigén jelenléte növeli a sebességet technológiai folyamatok a kémia, technológia és kohászat különböző ágaiban.

Egy olcsó módszer megjelenése a levegőből oxigén kinyerésére alacsony hőmérsékleten komponensekre történő szétválasztással számos terület fejlődését ösztönözte. ipari termelés. A kémikusok az O 2 molekulákat és az O atomokat ideális oxidálószernek tartják. Ezek természetes anyagok, folyamatosan megújulnak a természetben, nem szennyeznek környezet. Kívül, kémiai reakciók oxigén részvételével leggyakrabban egy másik természetes és biztonságos termék - víz - szintézisével végződik. Az O 2 szerepe a mérgező ipari hulladékok semlegesítésében, a víz szennyezéstől való megtisztításában nagy. Az oxigén mellett fertőtlenítésre is használják allotróp módosulás- ózon. Ennek az egyszerű anyagnak magas oxidációs aktivitása van. Amikor a vizet ózonizálják, a szennyező anyagok lebomlanak. Az ózon a kórokozó mikroflórára is káros hatással van.

OXIGÉN (latin Oxygenium), O, a periódusos rendszer rövid alakjának VI. csoportjának (a hosszú forma 16. csoportjának) kémiai eleme, a kalkogénekhez tartozik; 8-as atomszám, atomtömeg 15.9994. A természetes oxigén három izotópból áll: 16 O (99,757%), 17 O (0,038%) és 18 O (0,205%). A legkönnyebb 16 O izotóp túlsúlya a keverékben annak köszönhető, hogy a 16 O atom magja 8 protonból és 8 neutronból áll. A protonok és neutronok egyenlő száma határozza meg az atommagban való megkötésük nagy energiáját és a 16 O atommag legnagyobb stabilitását a többihez képest. Radioizotópokat mesterségesen állítottak elő tömegszámok 12-26.

Történeti hivatkozás. Az oxigént 1774-ben egymástól függetlenül K. Scheele (kálium-nitrátok KNO 3 és nátrium NaNO 3, mangán-dioxid MnO 2 és más anyagok égetésével) és J. Priestley (ólom-tetroxid Pb 3 O 4 és higany-oxid HgO hevítésével) nyerték. Később, amikor kiderült, hogy az oxigén a savak része, A. Lavoisier javasolta az oxygène nevet (a görög όχύς - savanyú és γεννάω - szülök, innen ered. Orosz név"oxigén").

eloszlás a természetben. Az oxigén a Föld leggyakoribb kémiai eleme: a hidroszférában a kémiailag kötött oxigén tartalma 85,82% (főleg víz formájában), földkéreg-49 tömeg%. Több mint 1400 ásványi anyag ismeretes, amelyek oxigént tartalmaznak. Közülük az oxigéntartalmú savak sóiból képződött ásványok dominálnak (a legfontosabb osztályok a természetes karbonátok, a természetes szilikátok, a természetes szulfátok, a természetes foszfátok), és az ezeken alapuló kőzetek (pl. mészkő, márvány), valamint különféle természetes oxidok, természetes hidroxidok és sziklák(például bazalt). A molekuláris oxigén a föld légkörének 20,95 térfogat%-át (23,10 tömeg%-át) teszi ki. A légköri oxigén biológiai eredetű és ben képződik zöld növények amely a fotoszintézis során vízből és szén-dioxidból származó klorofilt tartalmaz. A növények által felszabaduló oxigén mennyisége kompenzálja a bomlási, égési és légzési folyamatok során elfogyasztott oxigén mennyiségét.

Az oxigén – biogén elem – a természetes szerves vegyületek legfontosabb osztályainak (fehérjék, zsírok, nukleinsavak, szénhidrátok stb.) és az összetételben szervetlen vegyületek csontváz.

Tulajdonságok. Az oxigénatom külső elektronhéjának szerkezete 2s 2 2p 4; vegyületekben -2, -1, ritkán +1, +2 oxidációs állapotot mutat; Pauling elektronegativitás 3,44 (a legelektronegatívabb elem a fluor után); atomsugár este 60 óra; az O 2 ion sugara -121 pm (2-es koordinációs szám). Gáz-, folyékony és szilárd halmazállapotban az oxigén a formában létezik kétatomos molekulák Körülbelül 2. Az O 2 molekulák paramágnesesek. Az oxigén - ózon allotróp módosulata is létezik, amely háromatomos O 3 molekulákból áll.

Alapállapotban az oxigénatom rendelkezik páros szám vegyértékelektronok, amelyek közül kettő párosítatlan. Ezért az oxigén, amelynek nincs alacsony energiájú üres d-opbitálja, a legtöbb kémiai vegyületben kétértékű. A kémiai kötés természetétől és a vegyület kristályszerkezetének típusától függően az oxigén koordinációs száma eltérő lehet: O (atomi oxigén), 1 (például O 2, CO 2), 2 (pl. H 2 O, H 2 O 2), 3 (pl. H 3 O +), 4 (pl. Be és Zn oxoacetátok), 6 (pl. MgO, CdO), 8 (pl. Na 2 O, Cs 2 O). Az atom kis sugara miatt az oxigén erős π-kötéseket tud kialakítani más atomokkal, például oxigénatomokkal (O 2, O 3), szénnel, nitrogénnel, kénnel és foszforral. Ezért az oxigén szempontjából egy kettős kötés (494 kJ/mol) energetikailag kedvezőbb, mint két egyszerű kötés (146 kJ/mol).

Az O 2 molekulák paramágnesességét az magyarázza, hogy két párhuzamos spinű, párosítatlan elektron jelen van a kétszeresen degenerált antikötő π* pályákon. Mivel a molekula kötőpályáin négy elektronnal több van, mint a lazító pályákon, az O 2 -ben a kötési sorrend 2, azaz az oxigénatomok közötti kötés kétszeres. Ha fotokémiai vagy kémiai hatás hatására két ellentétes spinű elektron jelenik meg ugyanazon a π * pályán, akkor létrejön az első gerjesztett állapot, amely 92 kJ / mol energiával magasabb, mint az alapállapot. Ha egy oxigénatom gerjesztésekor két elektron két különböző π* pályát foglal el, és spinje ellentétes, akkor egy második gerjesztett állapot jön létre, amelynek energiája 155 kJ/mol-lal nagyobb, mint az alapállapoté. A gerjesztést az interatomi növekedése kíséri O-O távolságok: 120,74-től alapállapotban 121,55-ig az első és 122,77-ig a második gerjesztett állapotban, ami viszont gyengüléshez vezet O-O csatlakozásokés az oxigén reakcióképességének növekedéséhez. Az O 2 molekula mindkét gerjesztett állapota fontos szerepet játszik a gázfázisban zajló oxidációs reakciókban.

Az oxigén színtelen, szagtalan és íztelen gáz; t pl -218,3 ° С, t kip -182,9 ° С, a gáz halmazállapotú oxigén sűrűsége 1428,97 kg / dm 3 (0 ° C-on és normál nyomáson). A folyékony oxigén halványkék folyadék, a szilárd oxigén kék kristályos anyag. 0 °C-on a hővezető tényező 24,65-10 -3 W/(mK), a moláris hőkapacitás állandó nyomáson 29,27 J/(mol K), a gázhalmazállapotú oxigén átbocsátóképessége 1,000547, a folyékony oxigéné 1.491. Az oxigén rosszul oldódik vízben (3,1 térfogat% oxigén 20 °C-on), könnyen oldódik néhány szerves fluor oldószerben, például perfluordekalinban (4500 térfogat% oxigén 0 °C-on). Jelentős mennyiségű oxigént oldanak fel a nemesfémek: ezüst, arany és platina. A gáz oldhatósága az olvadt ezüstben (2200 térfogat% 962 ° C-on) a hőmérséklet csökkenésével meredeken csökken, ezért levegőn lehűtve az ezüstolvadék „forr” és kifröccsen az oldott oxigén intenzív felszabadulása miatt.

Az oxigén erősen reaktív, erős oxidálószer: normál körülmények között kölcsönhatásba lép a legtöbb egyszerű anyaggal, főként a megfelelő oxidok képződésével (sok reakció, amely lassan megy végbe szobahőmérsékleten vagy még tovább alacsony hőmérsékletek, hevítéskor robbanás és nagy mennyiségű hő felszabadulása kíséri). Az oxigén normál körülmények között kölcsönhatásba lép a hidrogénnel (víz H 2 O képződik; az oxigén és hidrogén keverékei robbanásveszélyesek - lásd Robbanógáz), hevítéskor - kénnel (SO 2 kén-dioxid és kén-trioxid SO 3), szénnel (szén-oxid CO , szén-dioxid CO 2), foszfor (foszfor-oxidok), sok fém (fém-oxidok), különösen könnyen alkáli- és alkáliföldfémekkel (főleg fém-peroxidokkal és szuperoxidokkal, mint például bárium-peroxid BaO 2, kálium-szuperoxid KO 2). Az oxigén kölcsönhatásba lép a nitrogénnel 1200 °C feletti hőmérsékleten vagy elektromos kisülés hatására (nitrogén-monoxid NO képződik). Az oxigénvegyületeket xenonnal, kriptonnal, halogénekkel, arannyal és platinával közvetetten nyerik. Az oxigén nem képez kémiai vegyületeket héliummal, neonnal és argonnal. A folyékony oxigén egyben erős oxidálószer is: a vele impregnált vatta meggyújtáskor azonnal kiég, egyes illékony szerves anyagok képesek öngyulladásra, ha több méteres távolságra vannak a nyitott edénytől folyékony oxigénnel.

Az oxigén három ionos formát képez, amelyek mindegyike a kémiai vegyületek külön osztályának tulajdonságait határozza meg: O 2 - szuperoxidok (az oxigénatom formális oxidációs állapota -0,5), O 2 - - peroxidvegyületek (a vegyület oxidációs állapota). oxigénatom -1, például hidrogén-peroxid H 2 O 2), O 2- - oxidok (az oxigénatom oxidációs állapota -2). Az oxigén +1 és +2 pozitív oxidációs állapotot mutat az О 2 F 2 és OF 2 fluoridokban. Az oxigén-fluoridok instabilak, erős oxidálószerek és fluorozó reagensek.

A molekuláris oxigén gyenge ligandum, és hozzáadódik néhány Fe, Co, Mn, Cu komplexhez. Az ilyen komplexek közül a legfontosabb a vas-porfirin, amely a hemoglobin része, egy olyan fehérje, amely oxigénszállítást végez a melegvérű állatok testében.

Biológiai szerep. Oxigén, szabad formában és benne különféle anyagok(például enzimek oxidázok és oxidoreduktázok) részt vesz az élő szervezetekben előforduló összes oxidációs folyamatban. Ennek eredményeként kiemelkedik nagyszámú az életfolyamat során elhasznált energia.

Nyugta. Ipari méretekben az oxigént a levegő cseppfolyósításával és frakcionált desztillációjával állítják elő (lásd a cikkben a Levegő elválasztást), valamint a víz elektrolízisével. Laboratóriumi körülmények között az oxigént hidrogén-peroxid (2P 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2), fém-oxidok (például higany-oxid: 2HgO \u003d 2Hg + O 2), oxigénsók hevítésével történő bomlás útján nyerik. oxidáló savakat tartalmazó (például kálium-klorát: 2KlO 3 \u003d 2KCl + 3O 2, kálium-permanganát: 2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2), vizes nátrium-hidroxid elektrolízisével. A gáznemű oxigént kékre festett acélhengerekben tárolják és szállítják 15 és 42 MPa nyomáson, folyékony oxigént - fém Dewar tartályokban vagy speciális tartálytartályokban.

Alkalmazás. A műszaki oxigént oxidálószerként használják a kohászatban (lásd például az Oxigén-konverteres eljárást), a fémek gázlángfeldolgozásában (lásd pl. Oxi-üzemanyag vágás), vegyipar mesterséges folyékony tüzelőanyagok, kenőolajok, salétromsav és kénsav, metanol, ammónia és ammónia műtrágyák, fém-peroxidok stb. gyártásában. Az oxigén légzőkészülékekben tiszta oxigént használnak űrhajók, tengeralattjárók, nagy magasságba való mászáskor, víz alatti munkák végzésekor, in gyógyászati ​​célokra az orvostudományban (lásd az Oxigénterápia című cikket). Folyékony oxigént használnak oxidálószerként rakétahajtóanyagok, robbantás közben. A gáznemű oxigén oldatainak vizes emulzióit bizonyos szerves fluortartalmú oldószerekben javasolják mesterséges vérhelyettesítőként (például perftoránként) használni.

Lit.: Saunders N. Oxigén és a a 16. csoport elemei. Oxf., 2003; Drozdov A. A., Zlomanov V. P., Mazo G. N., Spiridonov F. M. Szervetlen kémia. M., 2004. T. 2; Shriver D., Atkins P. Inorganic Chemistry. M., 2004. T. 1-2.

Bevezetés

Minden nap beszívjuk a szükséges levegőt. Gondolkoztál már azon, hogy miből, pontosabban milyen anyagokból áll a levegő? Leginkább nitrogént (78%) tartalmaz, ezt követi az oxigén (21%) és az inert gázok (1%). Bár az oxigén nem alkotja a levegő legalapvetőbb részét, enélkül a légkör lakhatatlan lenne. Neki köszönhetően létezik élet a Földön, mert a nitrogén együtt és külön-külön is káros az emberre. Nézzük az oxigén tulajdonságait.

Az oxigén fizikai tulajdonságai

A levegőben az oxigén egyszerűen nem megkülönböztethető, mivel normál körülmények között íz, szín és szag nélküli gáz. De az oxigén mesterségesen átvihető más aggregációs állapotokba. Tehát -183 o C-on folyékony lesz, és -219 o C-on megkeményedik. De szilárd és folyékony oxigént csak az ember kaphat, és a természetben csak gáz halmazállapotban létezik. így néz ki (fotó). És kemény, mint a jég.

Az oxigén fizikai tulajdonságai egy egyszerű anyag molekulájának szerkezetét is jelentik. Az oxigénatomok két ilyen anyagot képeznek: oxigént (O 2) és ózont (O 3). Az alábbiakban egy oxigénmolekula modelljét mutatjuk be.

Oxigén. Kémiai tulajdonságok

Az első dolog, amivel egy elem kémiai jellemzője kezdődik, az a helyzete D. I. Mengyelejev periodikus rendszerében. Tehát az oxigén a fő alcsoport 6. csoportjának 2. periódusában található a 8-as számon. Atomtömege 16 amu, nemfém.

BAN BEN szervetlen kémia más elemekkel alkotott bináris vegyületeit külön oxidokká egyesítették. oxigén képződhet kémiai vegyületek fémek és nemfémek egyaránt.

Beszéljünk arról, hogy beszerezzük a laboratóriumokba.

Kémiailag oxigént nyerhetünk kálium-permanganát, hidrogén-peroxid, bartolet-só, nitrátok lebontásával aktív fémekés nehézfém-oxidok. Tekintsük az egyes módszerek reakcióegyenleteit.

1. Víz elektrolízis:

H 2 O 2 \u003d H 2 O + O 2

5. Nehézfém-oxidok (pl. higany-oxid) lebontása:

2HgO \u003d 2Hg + O 2

6. Aktív fémek nitrátjainak lebontása (például nátrium-nitrát):

2NaNO 3 \u003d 2NaNO 2 + O 2

Oxigén alkalmazása

Elkészültünk a kémiai tulajdonságokkal. Itt az ideje, hogy beszéljünk az oxigén felhasználásáról az emberi életben. Elektromos és hőerőművek tüzelőanyag elégetéséhez szükséges. Öntöttvasból és fémhulladékból acél előállítására, fém hegesztésére és vágására használják. Oxigén szükséges a tűzoltók maszkjaihoz, búvárhengereihez, felhasználják a vas- és színesfémkohászatban, sőt a robbanóanyag-gyártásban is. be is Élelmiszeripar Az oxigén az E948 élelmiszer-adalékanyagként ismert. Úgy tűnik, nincs olyan iparág, ahol ne használnák, de az orvostudományban ez játssza a legfontosabb szerepet. Ott "orvosi oxigénnek" hívják. Annak érdekében, hogy az oxigén használható legyen, elősűrítik. Az oxigén fizikai tulajdonságai hozzájárulnak ahhoz, hogy összenyomható. Ebben a formában ezekhez hasonló hengerekben tárolják.

Intenzív terápiában és karbantartási műveletekben használják életfolyamatokat beteg beteg szervezetében, valamint bizonyos betegségek kezelésében: dekompresszió, patológiák gyomor-bél traktus. Segítségével az orvosok nap mint nap sok életet mentenek meg. Vegyi és fizikai tulajdonságok Az oxigén hozzájárul ahhoz, hogy olyan széles körben használják.