Skābekļa atoma struktūra. Skābeklis: elementa ķīmiskās īpašības

DEFINĪCIJA

Skābeklis- Periodiskās tabulas astotais elements. Attiecas uz nemetāliem. Tā atrodas apakšgrupas VI A grupas otrajā periodā.

Kārtas numurs ir 8. Kodola lādiņš ir +8. Atomu svars - 15,999 amu Dabā sastopami trīs skābekļa izotopi: 16 O, 17 O un 18 O, no kuriem 16 O ir visizplatītākais (99,762%).

Skābekļa atoma elektroniskā struktūra

Skābekļa atomam ir divi apvalki, tāpat kā visi elementi, kas atrodas otrajā periodā. Grupas numurs -VI (halkogēni) - norāda, ka slāpekļa atoma ārējā elektroniskajā līmenī ir 6 valences elektroni. Tam ir augsta oksidēšanas spēja (tikai fluoram ir lielāka).

Rīsi. 1. Skābekļa atoma struktūras shematisks attēlojums.

Pamatstāvokļa elektroniskā konfigurācija ir uzrakstīta šādi:

1s 2 2s 2 2p 4.

Skābeklis ir p-ģimenes elements. Enerģijas diagramma valences elektroniem neierosinātā stāvoklī ir šāda:

Skābeklim ir 2 pārī savienotu elektronu pāri un divi nepāra elektroni. Visos tā savienojumos skābeklim ir II valence.

Rīsi. 2. Skābekļa atoma struktūras telpiskais attēls.

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

DEFINĪCIJA

Skābeklis- ķīmisko elementu periodiskās sistēmas VIA grupas otrā perioda elements D.I. Mendeļejevs, ar atomskaitli 8. Simbols - O.

Atommasa - 16 am.u. Skābekļa molekula ir diatomiska, un tās formula ir O 2

Skābeklis pieder pie p-elementu saimes. Skābekļa atoma elektroniskā konfigurācija ir 1s 2 2s 2 2p 4 . Savos savienojumos skābeklis spēj uzrādīt vairākus oksidācijas stāvokļus: “-2”, “-1” (peroksīdos), “+2” (F 2 O). Skābekli raksturo alotropijas fenomena izpausme - pastāvēšana vairāku vienkāršu vielu - alotropu modifikāciju veidā. Skābekļa allotropās modifikācijas ir skābeklis O 2 un ozons O 3.

Skābekļa ķīmiskās īpašības

Skābeklis ir spēcīgs oksidētājs, jo lai pabeigtu ārējo elektroniskais līmenis viņam trūkst tikai 2 elektronu, un viņš tos viegli pievieno. Reaktivitātes ziņā skābeklis ir otrajā vietā aiz fluora. Skābeklis veido savienojumus ar visiem elementiem, izņemot hēliju, neonu un argonu. Skābeklis tieši reaģē ar halogēniem, sudrabu, zeltu un platīnu (to savienojumus iegūst netieši). Gandrīz visas reakcijas, kas saistītas ar skābekli, ir eksotermiskas. Funkcija daudzas kombinācijas reakcijas ar skābekli - liela siltuma un gaismas daudzuma izdalīšanās. Šādus procesus sauc par degšanu.

Skābekļa mijiedarbība ar metāliem. Tātad sārmu metāli(izņemot litiju) skābeklis veido peroksīdus vai superoksīdus, bet pārējais - oksīdus. Piemēram:

4Li + O2 = 2Li 2O;

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

K + O 2 \u003d KO 2;

2Ca + O 2 \u003d 2CaO;

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

2Cu + O 2 \u003d 2CuO;

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

Skābekļa mijiedarbība ar nemetāliem. Skābekļa mijiedarbība ar nemetāliem notiek sildot; visas reakcijas ir eksotermiskas, izņemot mijiedarbību ar slāpekli (reakcija ir endotermiska, notiek 3000C temperatūrā elektriskā loka, dabā - zibens izlādes laikā). Piemēram:

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

C + O 2 \u003d CO 2;

2H2 + O2 \u003d 2H2O;

N 2 + O 2 ↔ 2 NO - Q.

Mijiedarbība ar kompleksu neorganiskās vielas. Sarežģītas vielas sadedzinot skābekļa pārpalikumā, veidojas atbilstošo elementu oksīdi:

2H2S + 3O2 \u003d 2SO2 + 2H2O (t);

4NH3 + 3O2 \u003d 2N2 + 6H2O (t);

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

2PH3 + 4O2 = 2H3PO4 (t);

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

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

Skābeklis spēj oksidēt oksīdus un hidroksīdus savienojumos ar augstāku oksidācijas pakāpi:

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).

Mijiedarbība ar sarežģītām organiskām vielām. Gandrīz visas organiskās vielas sadedzina, oksidējoties ar atmosfēras skābekli līdz oglekļa dioksīdam un ūdenim:

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

Papildus degšanas reakcijām (pilnīga oksidācija) iespējamas arī daļējas vai katalītiskas oksidācijas reakcijas, kurās reakcijas produkti var būt spirti, aldehīdi, ketoni, karbonskābes un citas vielas:

Ogļhidrātu, olbaltumvielu un tauku oksidēšanās kalpo kā enerģijas avots dzīvam organismam.

Skābekļa fizikālās īpašības

Skābeklis ir visizplatītākais elements uz zemes (47% no masas). Gaiss satur 21% skābekļa pēc tilpuma. Skābeklis - komponentsūdens, minerālvielas, organiskās vielas. Augu un dzīvnieku audi satur 50-85% skābekļa dažādu savienojumu veidā.

Brīvā stāvoklī skābeklis ir bezkrāsaina, bez garšas un smaržas gāze, slikti šķīst ūdenī (3 litri skābekļa izšķīst 100 litros ūdens pie 20C. Šķidrais skābeklis zila krāsa, ir paramagnētiskas īpašības (tiek ievilkta magnētiskajā laukā).

Skābekļa iegūšana

Ir rūpnieciskas un laboratorijas metodes skābekļa ražošanai. Tātad rūpniecībā skābekli iegūst, destilējot šķidru gaisu, un galvenās laboratorijas metodes skābekļa iegūšanai ietver sarežģītu vielu termiskās sadalīšanās reakcijas:

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

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

Uzdevums

Sadaloties 95 g dzīvsudraba (II) oksīda, tika iegūti 4,48 litri skābekļa (N.O.). Aprēķināt sadalījušās dzīvsudraba (II) oksīda proporciju (masas procentos).

Risinājums

Uzrakstīsim dzīvsudraba oksīda (II) sadalīšanās reakcijas vienādojumu: 2HgO \u003d 2Hg + O 2. Zinot atbrīvotā skābekļa daudzumu, mēs atrodam tā vielas daudzumu: mol. Saskaņā ar reakcijas vienādojumu n (HgO): n (O 2) \u003d 2: 1, tāpēc n (HgO) \u003d 2 × n (O 2) \u003d 0,4 mol. Aprēķināsim sadalītā oksīda masu. Vielas daudzums ir saistīts ar vielas masu ar attiecību: Dzīvsudraba (II) oksīda molārā masa (viena mola molekulmasa), kas aprēķināta, izmantojot D.I. ķīmisko elementu tabulu. Mendeļejevs - 217 g/mol. Tad dzīvsudraba oksīda (II) masa ir vienāda ar: m(HgO) = n(HgO) × M(HgO) \u003d 0,4 × 217 \u003d 86,8 g. Noteiksim sadalītā oksīda masas daļu:

Skābeklis atrodas VI otrajā periodā galvenā grupa novecojusi periodiskās tabulas īsa versija. Pēc jaunajiem numerācijas standartiem šī ir 16. grupa. Attiecīgo lēmumu IUPAC pieņēma 1988. gadā. Skābekļa formula ir vienkārša viela- Apmēram 2. Apsveriet tās galvenās īpašības, lomu dabā un ekonomikā. Sāksim ar visas periodiskās sistēmas grupas, kuras priekšgalā ir skābeklis, īpašībām. Elements atšķiras no tā radniecīgajiem halkogēniem, un ūdens atšķiras no ūdeņraža selēna un telūra. Paskaidrojums visiem specifiskas īpatnības var atrast, tikai uzzinot par atoma uzbūvi un īpašībām.

Halkogēni ir elementi, kas saistīti ar skābekli.

Atomi ar līdzīgām īpašībām veido vienu grupu periodiska sistēma. Skābeklis ir halkogēnu saimes priekšgals, taču atšķiras no tiem vairāku īpašību dēļ.

Grupas priekšteča skābekļa atomu masa ir 16 amu. m.Halkogēni, veidojot savienojumus ar ūdeņradi un metāliem, uzrāda savu parasto oksidācijas pakāpi: -2. Piemēram, ūdens (H 2 O) sastāvā skābekļa oksidācijas skaitlis ir -2.

Tipisko halkogēnu ūdeņraža savienojumu sastāvs atbilst vispārīgajai formulai: H 2 R. Šīm vielām izšķīstot, veidojas skābes. Tikai ūdeņraža saite skābeklim – ūdenim – piemīt īpašas īpašības. Pēc zinātnieku domām, šī neparastā viela ir gan ļoti vāja skābe, gan ļoti vāja bāze.

Sēram, selēnam un telūram ir tipiski pozitīvi oksidācijas stāvokļi (+4, +6) savienojumos ar skābekli un citiem augstas elektronegativitātes (EO) nemetāliem. Atspoguļo halkogēna oksīdu sastāvs vispārīgas formulas: RO 2 , RO 3 . Attiecīgajām skābēm ir šāds sastāvs: H 2 RO 3 , H 2 RO 4 .

Elementi atbilst vienkāršām vielām: skābeklis, sērs, selēns, telūrs un polonijs. Pirmajiem trim pārstāvjiem ir nemetāliskas īpašības. Skābekļa formula ir O2. Tā paša elementa alotropā modifikācija ir ozons (O 3). Abas modifikācijas ir gāzes. Sērs un selēns ir cieti nemetāli. Telūrs ir metaloīda viela, vadītājs elektriskā strāva, polonijs ir metāls.

Skābeklis ir visizplatītākais elements

Mēs jau zinām, ka pastāv cita veida tā paša ķīmiskā elementa pastāvēšana vienkāršas vielas veidā. Tas ir ozons, gāze, kas aptuveni 30 km augstumā no zemes virsmas veido slāni, ko bieži sauc par ozona slāni. Saistītais skābeklis ir iekļauts ūdens molekulās, daudzu iežu un minerālu sastāvā, organiskie savienojumi.

Skābekļa atoma struktūra

Mendeļejeva periodiskā tabula satur pilnīgu informāciju par skābekli:

1. Elementa kārtas numurs ir 8.
2. Pamatlādiņš - +8.
3. Kopējais elektronu skaits ir 8.
4. Skābekļa elektroniskā formula ir 1s 2 2s 2 2p 4 .

Dabā ir trīs stabils izotops, kuriem ir vienāds kārtas numurs periodiskajā tabulā, identisks protonu un elektronu sastāvs, bet atšķirīgs numurs neitroni. Izotopus apzīmē ar vienu un to pašu simbolu — O. Salīdzinājumam mēs piedāvājam diagrammu, kas atspoguļo trīs skābekļa izotopu sastāvu:

Skābekļa - ķīmiskā elementa īpašības

Atoma 2p apakšlīmenī atrodas divi nepāra elektroni, kas izskaidro oksidācijas stāvokļu -2 un +2 parādīšanos. Abus pārī savienotos elektronus nevar atdalīt, lai palielinātu oksidācijas pakāpi līdz +4, tāpat kā sēra un citu halkogēnu gadījumā. Iemesls ir bezmaksas apakšlīmeņa trūkums. Tāpēc savienojumos ķīmiskais elements skābeklis neuzrāda valenci un oksidācijas stāvokli, kas vienāds ar grupas numuru in īsā versija periodiskā sistēma (6). Tās parastais oksidācijas skaitlis ir -2.

Tikai savienojumos ar fluoru skābeklim ir pozitīvs oksidācijas stāvoklis +2, kas tam nav raksturīgs. Divu stipru nemetālu EO vērtība ir atšķirīga: EO(O) = 3,5; EO (F) = 4. Kā elektronnegatīvāks ķīmiskais elements fluors spēcīgāk notur savus elektronus un piesaista skābekļa atomiem valences daļiņas. Tāpēc reakcijā ar fluoru skābeklis ir reducētājs, tas ziedo elektronus.

Skābeklis ir vienkārša viela

Angļu pētnieks D. Prīstlijs 1774. gadā, veicot eksperimentus, dzīvsudraba oksīda sadalīšanās laikā atbrīvoja gāzi. Divus gadus iepriekš K. Šēle ieguva to pašu vielu tīrā veidā. Tikai dažus gadus vēlāk franču ķīmiķis A. Lavuazjē noskaidroja, kāda veida gāze ir daļa no gaisa, pētīja īpašības. Ķīmiskā formula skābeklis - O 2. Vielas sastāva ierakstā atspoguļosim elektronus, kas iesaistīti nepolāra veidošanā kovalentā saite- Ak:: Ak. Aizstāsim katru savienojošo elektronu pāri ar vienu līniju: O=O. Šī skābekļa formula skaidri parāda, ka atomi molekulā ir savienoti starp diviem kopīgiem elektronu pāriem.

Veiksim vienkāršus aprēķinus un noteiksim, kāda ir skābekļa relatīvā molekulmasa: Mr (O 2) \u003d Ar (O) x 2 \u003d 16 x 2 \u003d 32. Salīdzinājumam: Mr (gaiss) \u003d 29. skābekļa formula atšķiras no viena skābekļa atoma. Tas nozīmē, ka Mr (O 3) \u003d Ar (O) x 3 \u003d 48. Ozons ir 1,5 reizes smagāks par skābekli.

Fizikālās īpašības

Skābeklis ir bezkrāsaina, bez garšas un smaržas gāze (normālā temperatūrā un atmosfēras spiedienā). Viela ir nedaudz smagāka par gaisu; šķīst ūdenī, bet nelielos daudzumos. Skābekļa kušanas temperatūra ir negatīva un ir -218,3 °C. Punkts, kurā šķidrais skābeklis pārvēršas atpakaļ gāzveida skābeklī, ir tā viršanas temperatūra. O 2 molekulām šī vērtība fiziskais daudzums sasniedz -182,96 °C. Šķidrā un cietā stāvoklī skābeklis iegūst gaiši zilu krāsu.

Skābekļa iegūšana laboratorijā

Karsējot skābekli saturošas vielas, piemēram, kālija permanganātu, bezkrāsaina gāze, ko var savākt kolbā vai mēģenē. Ja iedegtu lāpu ienesat tīrā skābeklī, tas deg spožāk nekā gaisā. Divas citas laboratorijas metodes skābekļa iegūšanai ir ūdeņraža peroksīda un kālija hlorāta (bertoleta sāls) sadalīšana. Apsveriet ierīces shēmu, ko izmanto termiskai sadalīšanai.

Mēģenē vai apaļkolbā ielej nedaudz bertoleta sāls, aizver ar aizbāzni ar gāzes izplūdes cauruli. Tā pretējam galam jābūt vērstam (zem ūdens) uz otrādi apgriezto kolbu. Kakls jānolaiž plašā glāzē vai kristalizatorā, kas piepildīts ar ūdeni. Karsējot mēģeni ar Berthollet sāli, izdalās skābeklis. Caur gāzes izplūdes cauruli tas nonāk kolbā, izspiežot no tās ūdeni. Kad kolba ir piepildīta ar gāzi, to aizver zem ūdens ar korķi un apgriež. Šajā laboratorijas eksperimentā iegūto skābekli var izmantot vienkāršas vielas ķīmisko īpašību izpētei.

Degšana

Ja laboratorijā deg vielas skābeklī, tad jāzina un jāievēro ugunsdrošības noteikumi. Ūdeņradis gaisā sadeg acumirklī, un, sajaucoties ar skābekli attiecībā 2:1, tas ir sprādzienbīstams. Vielu sadegšana tīrā skābeklī ir daudz intensīvāka nekā gaisā. Šī parādība ir izskaidrojama ar gaisa sastāvu. Skābeklis atmosfērā ir nedaudz vairāk par 1/5 no daļas (21%). Degšana ir vielu reakcija ar skābekli, kā rezultātā veidojas dažādi produkti, galvenokārt metālu un nemetālu oksīdi. O 2 maisījumi ar degošām vielām ir viegli uzliesmojoši, turklāt iegūtie savienojumi var būt toksiski.

Parastas sveces (vai sērkociņa) degšanu pavada oglekļa dioksīda veidošanās. Mājās var veikt šādu pieredzi. Ja jūs sadedzināt vielu zem stikla burka vai lielu stiklu, degšana apstāsies, tiklīdz viss skābeklis būs izlietots. Slāpeklis neatbalsta elpošanu un degšanu. Oglekļa dioksīds, oksidācijas produkts, vairs nereaģē ar skābekli. Caurspīdīgs ļauj noteikt klātbūtni pēc sveces sadedzināšanas. Ja sadegšanas produkti tiek izvadīti caur kalcija hidroksīdu, šķīdums kļūst duļķains. Notiek ķīmiska reakcija starp kaļķa ūdeni un oglekļa dioksīdu, kā rezultātā veidojas nešķīstošs kalcija karbonāts.

Skābekļa ražošana rūpnieciskā mērogā

Lētākais process, kura rezultātā tiek iegūtas bezgaisa O 2 molekulas, neietver ķīmiskas reakcijas. Rūpniecībā, teiksim, metalurģijas rūpnīcās gaiss zemā temperatūrā un augstspiediena sašķidrināt. Tādas būtiskas sastāvdaļas atmosfērā, piemēram, slāpeklis un skābeklis, vārās plkst dažādas temperatūras. Atdaliet gaisa maisījumu, pakāpeniski karsējot līdz normālai temperatūrai. Pirmkārt, tiek atbrīvotas slāpekļa molekulas, pēc tam skābeklis. Atdalīšanas metode ir balstīta uz dažādām vienkāršu vielu fizikālajām īpašībām. Vienkāršas skābekļa vielas formula ir tāda pati kā pirms gaisa dzesēšanas un sašķidrināšanas - O 2.

Dažu elektrolīzes reakciju rezultātā izdalās arī skābeklis, tas tiek savākts virs atbilstošā elektroda. Gāze lielos apjomos nepieciešama rūpniecības un būvniecības uzņēmumiem. Pieprasījums pēc skābekļa nepārtraukti pieaug, īpaši ķīmiskajā rūpniecībā. Iegūto gāzi rūpnieciskiem un medicīniskiem nolūkiem uzglabā tērauda balonos, kas ir aprīkoti ar marķējumu. Skābekļa tvertnes ir nokrāsotas zilā vai ciāna krāsā, lai tās atšķirtu no citām. sašķidrinātās gāzes- slāpeklis, metāns, amonjaks.

Ķīmiskie aprēķini pēc formulas un reakciju vienādojumiem, iesaistot O 2 molekulas

Skaitliskā vērtība molārā masa skābeklis sakrīt ar citu vērtību - relatīvo molekulmasu. Tikai pirmajā gadījumā ir mērvienības. Īsumā, skābekļa vielas un tās molārās masas formula jāraksta šādi: M (O 2) \u003d 32 g / mol. Normālos apstākļos jebkuras gāzes mols atbilst 22,4 litru tilpumam. Tas nozīmē, ka 1 mols O 2 ir 22,4 litri vielas, 2 moli O 2 ir 44,8 litri. Saskaņā ar reakcijas vienādojumu starp skābekli un ūdeņradi, var redzēt, ka mijiedarbojas 2 moli ūdeņraža un 1 mols skābekļa:

Ja reakcijā ir iesaistīts 1 mols ūdeņraža, tad skābekļa tilpums būs 0,5 mol. 22,4 l / mol \u003d 11,2 l.

O 2 molekulu loma dabā un cilvēka dzīvē

Skābekli patērē dzīvie organismi uz Zemes, un tas ir bijis iesaistīts matērijas ciklā vairāk nekā 3 miljardus gadu. Šī ir galvenā viela elpošanai un vielmaiņai, ar tās palīdzību notiek molekulu sadalīšanās. barības vielas, tiek sintezēta organismiem nepieciešamā enerģija. Uz Zemes pastāvīgi tiek patērēts skābeklis, bet tā rezerves tiek papildinātas ar fotosintēzes palīdzību. Krievu zinātnieks K. Timirjazevs uzskatīja, ka, pateicoties šim procesam, uz mūsu planētas joprojām pastāv dzīvība.

Skābekļa loma dabā un ekonomikā ir liela:

• uzsūcas elpošanas procesā dzīvie organismi;
• piedalās augu fotosintēzes reakcijās;
• ir daļa no organiskajām molekulām;
• sabrukšanas, fermentācijas, rūsēšanas procesi notiek ar skābekļa līdzdalību, kas darbojas kā oksidētājs;
• izmanto, lai iegūtu vērtīgus organiskās sintēzes produktus.

Sašķidrināto skābekli balonos izmanto metālu griešanai un metināšanai augstā temperatūrā. Šie procesi tiek veikti mašīnbūves rūpnīcās, transporta un būvniecības uzņēmumi. Darbam zem ūdens, pazemē, uz liels augstums bezgaisa telpā cilvēkiem ir vajadzīgas arī O 2 molekulas. izmanto medicīnā, lai bagātinātu slimu cilvēku ieelpotā gaisa sastāvu. Gāze medicīniskiem nolūkiem atšķiras no tehniskās gāzes ar gandrīz pilnīgu piemaisījumu un smakas neesamību.

Skābeklis ir ideāls oksidētājs

Skābekļa savienojumi ir zināmi ar visiem periodiskās tabulas ķīmiskajiem elementiem, izņemot pirmos dzimtas pārstāvjus cēlgāzes. Daudzas vielas tieši reaģē ar O atomiem, izņemot halogēnus, zeltu un platīnu. Liela nozīme ir parādības, kas saistītas ar skābekli, ko pavada gaismas un siltuma izdalīšanās. Šādi procesi tiek plaši izmantoti ikdienas dzīvē un rūpniecībā. Metalurģijā rūdu mijiedarbību ar skābekli sauc par grauzdēšanu. Iepriekš sasmalcinātā rūda tiek sajaukta ar skābekli bagātinātu gaisu. Augstās temperatūrās metāli tiek reducēti no sulfīdiem līdz vienkāršām vielām. Tādā veidā iegūst dzelzi un dažus krāsainos metālus. Tīra skābekļa klātbūtne palielina ātrumu tehnoloģiskie procesi dažādās ķīmijas, tehnikas un metalurģijas nozarēs.

Lētas metodes parādīšanās skābekļa iegūšanai no gaisa, sadalot to komponentos zemā temperatūrā, stimulēja daudzu jomu attīstību. rūpnieciskā ražošana. Ķīmiķi uzskata O 2 molekulas un O atomus par ideāliem oksidētājiem. Tie ir dabīgi materiāli, dabā pastāvīgi atjaunojas, nepiesārņo vide. Turklāt, ķīmiskās reakcijas ar skābekļa piedalīšanos visbiežāk beidzas ar cita dabiska un droša produkta - ūdens - sintēzi. Liela ir O 2 loma toksisko rūpniecisko atkritumu neitralizēšanā, ūdens attīrīšanā no piesārņojuma. Papildus skābeklim to izmanto dezinfekcijai alotropiskā modifikācija- ozons. Šai vienkāršajai vielai ir augsta oksidējošā aktivitāte. Kad ūdens tiek ozonēts, piesārņotāji sadalās. Ozonam ir arī kaitīga ietekme uz patogēno mikrofloru.

SKĀBEKLIS (latīņu Oxygenium), O, periodiskās sistēmas īsās formas VI grupas ķīmiskais elements (garās formas 16. grupa), pieder pie halkogēniem; atomskaitlis 8, atomu masa 15.9994. Dabiskais skābeklis sastāv no trim izotopiem: 16 O (99,757%), 17 O (0,038%) un 18 O (0,205%). Vieglāko 16 O izotopu pārsvars maisījumā ir saistīts ar to, ka 16 O atoma kodols sastāv no 8 protoniem un 8 neitroniem. Vienāds protonu un neitronu skaits nosaka to saistīšanās lielo enerģiju kodolā un 16 O kodolu lielāko stabilitāti salīdzinājumā ar pārējiem. Radioizotopi ir mākslīgi iegūti ar masas skaitļi 12-26.

Vēstures atsauce. Skābekli 1774. gadā neatkarīgi ieguva K. Šēle (kalcinējot kālija nitrātus KNO 3 un nātrija NaNO 3, mangāna dioksīdu MnO 2 un citas vielas) un J. Prīstlijs (karsējot svina tetroksīdu Pb 3 O 4 un dzīvsudraba oksīdu HgO). Vēlāk, kad tika konstatēts, ka skābeklis ir daļa no skābēm, A. Lavuazjē ierosināja nosaukumu oxygène (no grieķu όχύς — skābs un γεννάω — es dzemdēju, tātad Krievu nosaukums"skābeklis").

izplatība dabā. Skābeklis ir visizplatītākais ķīmiskais elements uz Zemes: ķīmiski saistītā skābekļa saturs hidrosfērā ir 85,82% (galvenokārt ūdens veidā), zemes garoza-49% no svara. Ir zināmi vairāk nekā 1400 minerālvielu, kas satur skābekli. To vidū dominē minerāli, ko veido skābekli saturošu skābju sāļi (svarīgākās klases ir dabiskie karbonāti, dabiskie silikāti, dabiskie sulfāti, dabiskie fosfāti), un uz to bāzes veidoti ieži (piemēram, kaļķakmens, marmors), kā arī dažādi. dabiskie oksīdi, dabiskie hidroksīdi un klintis(piemēram, bazalts). Molekulārais skābeklis veido 20,95% pēc tilpuma (23,10% pēc masas) no Zemes atmosfēras. Atmosfēras skābeklis ir bioloģiskas izcelsmes un veidojas zaļie augi kas satur hlorofilu no ūdens un oglekļa dioksīdu fotosintēzes laikā. Augu izdalītais skābekļa daudzums kompensē sabrukšanas, sadegšanas un elpošanas procesos patērēto skābekļa daudzumu.

Skābeklis - biogēns elements - ir daļa no svarīgākajām dabisko organisko savienojumu klasēm (olbaltumvielām, taukiem, nukleīnskābes, ogļhidrāti u.c.) un sastāvā neorganiskie savienojumi skelets.

Īpašības. Skābekļa atoma ārējā elektronu apvalka uzbūve 2s 2 2p 4; savienojumos uzrāda oksidācijas pakāpes -2, -1, reti +1, +2; Paulinga elektronegativitāte 3,44 (elektronegatīvākais elements pēc fluora); atomu rādiuss 60 vakarā; O 2 jona rādiuss ir -121 pm (koordinācijas numurs 2). Gāzveida, šķidrā un cietā stāvoklī skābeklis pastāv formā divatomiskās molekulas Apmēram 2. O 2 molekulas ir paramagnētiskas. Ir arī skābekļa alotropā modifikācija - ozons, kas sastāv no triatomiskām O 3 molekulām.

Pamatstāvoklī skābekļa atomam ir pāra skaitlis valences elektroni, no kuriem divi ir nesapāroti. Tāpēc skābeklis, kuram nav zemas enerģijas brīvā d-opbitāla, lielākajā daļā ķīmisko savienojumu ir divvērtīgs. Atkarībā no ķīmiskās saites rakstura un savienojuma kristāliskās struktūras veida skābekļa koordinācijas skaitlis var būt atšķirīgs: O (atomu skābeklis), 1 (piemēram, O 2, CO 2), 2 (piemēram, H 2 O, H 2 O 2), 3 (piemēram, H 3 O +), 4 (piemēram, Be un Zn oksoacetāti), 6 (piemēram, MgO, CdO), 8 (piemēram, Na 2 O, Cs 2 O). Mazā atoma rādiusa dēļ skābeklis spēj veidot spēcīgas π-saites ar citiem atomiem, piemēram, ar skābekļa atomiem (O 2, O 3), oglekli, slāpekli, sēru un fosforu. Tāpēc skābeklim viena dubultsaite (494 kJ/mol) ir enerģētiski labvēlīgāka nekā divas vienkāršas saites (146 kJ/mol).

O 2 molekulu paramagnētisms ir izskaidrojams ar divu nepāra elektronu ar paralēliem spiniem klātbūtni divkārši deģenerētās antisaites π* orbitālēs. Tā kā molekulas savienojošajās orbitālēs ir par četriem elektroniem vairāk nekā atslābinošajās orbitālēs, saišu secība O 2 ir 2, t.i., saite starp skābekļa atomiem ir divkārša. Ja fotoķīmiskas vai ķīmiskas iedarbības rezultātā uz vienas π * orbitāles parādās divi elektroni ar pretējiem spiniem, rodas pirmais ierosinātais stāvoklis, kura enerģija ir par 92 kJ / mol augstāka nekā pamatstāvoklis. Ja, ierosinot skābekļa atomu, divi elektroni aizņem divas dažādas π* orbitāles un tiem ir pretēji spini, rodas otrs ierosinātais stāvoklis, kura enerģija ir par 155 kJ/mol lielāka nekā pamatstāvokļa enerģija. Uzbudinājumu pavada starpatomu palielināšanās O-O attālumi: no 120.74 pamatstāvoklī līdz 121.55 pirmajam un līdz 122.77 otrajam ierosinātajam stāvoklim, kas savukārt noved pie vājināšanās O-O savienojumi un skābekļa reaktivitātes palielināšanās. Abiem O 2 molekulas ierosinātajiem stāvokļiem ir svarīga loma oksidācijas reakcijās gāzes fāzē.

Skābeklis ir bezkrāsaina, bez smaržas un garšas gāze; t pl -218,3 ° С, t kip -182,9 ° С, gāzveida skābekļa blīvums 1428,97 kg / dm 3 (pie 0 ° С un normālā spiedienā). Šķidrais skābeklis ir gaiši zils šķidrums, cietais skābeklis ir zila kristāliska viela. Pie 0 °C siltumvadītspēja ir 24,65-10 -3 W/(mK), molārā siltumietilpība nemainīgā spiedienā ir 29,27 J/(mol K), gāzveida skābekļa caurlaidība ir 1,000547, bet šķidrā skābekļa 1.491. Skābeklis slikti šķīst ūdenī (3,1% skābekļa tilpuma 20 ° C temperatūrā), viegli šķīst dažos fluororganiskos šķīdinātājos, piemēram, perfluordekalīnā (4500% skābekļa tilpuma 0 ° C temperatūrā). Ievērojamu skābekļa daudzumu izšķīdina cēlmetāli: sudrabs, zelts un platīns. Gāzes šķīdība izkausētā sudrabā (2200% pēc tilpuma 962 ° C temperatūrā) strauji samazinās, pazeminoties temperatūrai, tāpēc, atdzesējot gaisā, sudraba kausējums “uzvārās” un izšļakstās intensīvas izšķīdušā skābekļa izdalīšanās dēļ.

Skābeklis ir ļoti reaģējošs, spēcīgs oksidētājs: normālos apstākļos mijiedarbojas ar lielāko daļu vienkāršu vielu, galvenokārt veidojot atbilstošos oksīdus (daudzas reakcijas, kas notiek lēni istabas temperatūrā vai vairāk zemas temperatūras, karsējot, tos pavada sprādziens un liela siltuma daudzuma izdalīšanās). Skābeklis normālos apstākļos mijiedarbojas ar ūdeņradi (veidojas ūdens H 2 O; skābekļa maisījumi ar ūdeņradi ir sprādzienbīstami - skat. Detonējošā gāze), karsējot - ar sēru (sēra dioksīds SO 2 un sēra trioksīds SO 3), oglekli (oglekļa oksīds CO , oglekļa dioksīds CO 2), fosfors (fosfora oksīdi), daudzi metāli (metālu oksīdi), īpaši viegli ar sārmu un sārmzemju metāliem (galvenokārt metālu peroksīdi un superoksīdi, piemēram, bārija peroksīds BaO 2, kālija superoksīds KO 2). Skābeklis mijiedarbojas ar slāpekli temperatūrā virs 1200 °C vai elektriskās izlādes ietekmē (veidojas slāpekļa monoksīds NO). Skābekļa savienojumus ar ksenonu, kriptonu, halogēniem, zeltu un platīnu iegūst netieši. Skābeklis neveido ķīmiskus savienojumus ar hēliju, neonu un argonu. Šķidrais skābeklis ir arī spēcīgs oksidētājs: ar to piesūcināta vate, aizdedzinot, uzreiz izdeg, dažas gaistošās organiskās vielas spēj pašaizdegties, atrodoties vairāku metru attālumā no atvērta trauka ar šķidro skābekli.

Skābeklis veido trīs jonu formas, no kurām katra nosaka atsevišķas ķīmisko savienojumu klases īpašības: O 2 - superoksīdi (skābekļa atoma formālais oksidācijas stāvoklis ir -0,5), O 2 - - peroksīda savienojumi (ķīmisko savienojumu oksidācijas pakāpe). skābekļa atoms ir -1, piemēram, ūdeņraža peroksīds H 2 O 2), O 2- - oksīdi (skābekļa atoma oksidācijas pakāpe -2). Pozitīvi oksidācijas pakāpes +1 un +2 skābeklis uzrāda attiecīgi fluorīdos О 2 F 2 un OF 2. Skābekļa fluorīdi ir nestabili, tie ir spēcīgi oksidētāji un fluorējošie reaģenti.

Molekulārais skābeklis ir vājš ligands un pievieno dažus Fe, Co, Mn, Cu kompleksus. Starp šādiem kompleksiem vissvarīgākais ir dzelzs porfirīns, kas ir daļa no hemoglobīna, proteīna, kas veic skābekļa pārnesi siltasiņu dzīvnieku organismā.

Bioloģiskā loma. Skābeklis gan brīvā formā, gan iekšā dažādas vielas(piemēram, enzīmi oksidāzes un oksidoreduktāzes) piedalās visos oksidatīvajos procesos, kas notiek dzīvos organismos. Rezultātā tas izceļas liels skaits dzīvības procesā iztērētā enerģija.

Kvīts. Rūpnieciskā mērogā skābekli ražo gaisa sašķidrināšanas un frakcionētas destilācijas rezultātā (skat. Gaisa atdalīšanu rakstā), kā arī ūdens elektrolīzi. Laboratorijas apstākļos skābekli iegūst, sadaloties, karsējot ūdeņraža peroksīdu (2P 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2), metālu oksīdus (piemēram, dzīvsudraba oksīds: 2HgO \u003d 2Hg + O 2), skābekļa sāļus. kas satur oksidējošās skābes (piemēram, kālija hlorāts : 2KlO 3 \u003d 2KCl + 3O 2, kālija permanganāts: 2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2), izmantojot NaOH ūdens elektrolīzi. Gāzveida skābeklis tiek uzglabāts un transportēts tērauda cilindros, krāsoti zilā krāsā, 15 un 42 MPa spiedienā, šķidrais skābeklis - metāla Dewar traukos vai speciālās cisternu tvertnēs.

Pieteikums. Tehniskais skābeklis tiek izmantots kā oksidētājs metalurģijā (sk., piemēram, skābekļa pārveidotāja process), metālu apstrādē ar gāzi ar liesmu (sk., piemēram, griešana ar skābekli un degvielu), ķīmiskā rūpniecība mākslīgās šķidrās degvielas, smēreļļu, slāpekļskābes un sērskābes, metanola, amonjaka un amonjaka mēslošanas līdzekļu, metālu peroksīdu uc ražošanā. Skābekļa elpošanas aparātos izmanto tīru skābekli. kosmosa kuģi, zemūdenes, kāpjot lielos augstumos, veicot zemūdens darbus, in medicīniskiem nolūkiem medicīnā (skat. rakstu Skābekļa terapija). Šķidrais skābeklis tiek izmantots kā oksidētājs raķešu propelenti, spridzināšanas laikā. Gāzveida skābekļa šķīdumu ūdens emulsijas dažos fluororganiskajos šķīdinātājos ierosināts izmantot kā mākslīgos asins aizstājējus (piemēram, perftorānu).

Lit.: Saunders N. Skābeklis un 16. grupas elementi. Oxf., 2003; Drozdovs A. A., Zlomanovs V. P., Mazo G. N., Spiridonovs F. M. Neorganiskā ķīmija. M., 2004. T. 2; Shriver D., Atkins P. Neorganiskā ķīmija. M., 2004. T. 1-2.

Ievads

Katru dienu mēs ieelpojam vajadzīgo gaisu. Vai esat kādreiz domājuši par to, no kā, precīzāk, no kādām vielām sastāv gaiss? Visvairāk tajā ir slāpeklis (78%), kam seko skābeklis (21%) un inertās gāzes (1%). Lai gan skābeklis neveido visvienkāršāko gaisa daļu, bez tā atmosfēra būtu neapdzīvojama. Pateicoties viņam, uz Zemes pastāv dzīvība, jo slāpeklis gan kopā, gan atsevišķi ir kaitīgs cilvēkiem. Apskatīsim skābekļa īpašības.

Skābekļa fizikālās īpašības

Gaisā skābekli vienkārši nevar atšķirt, jo normālos apstākļos tā ir gāze bez garšas, krāsas un smaržas. Bet skābekli var mākslīgi pārnest uz citiem agregācijas stāvokļiem. Tātad pie -183 o C tas kļūst šķidrs, un pie -219 o C tas sacietē. Bet cieto un šķidro skābekli var iegūt tikai cilvēks, un dabā tas pastāv tikai gāzveida stāvoklī. izskatās šādi (foto). Un ciets kā ledus.

Skābekļa fizikālās īpašības ir arī vienkāršas vielas molekulas struktūra. Skābekļa atomi veido divas šādas vielas: skābekli (O 2) un ozonu (O 3). Skābekļa molekulas modelis ir parādīts zemāk.

Skābeklis. Ķīmiskās īpašības

Pirmā lieta, ar ko sākas elementa ķīmiskais raksturlielums, ir tā pozīcija D. I. Mendeļejeva periodiskajā sistēmā. Tātad skābeklis atrodas galvenās apakšgrupas 6. grupas 2. periodā ar numuru 8. Tā atommasa ir 16 amu, tas ir nemetāls.

IN neorganiskā ķīmija tā binārie savienojumi ar citiem elementiem tika apvienoti atsevišķā - oksīdos. var veidoties skābeklis ķīmiskie savienojumi gan metāliem, gan nemetāliem.

Parunāsim par tā iegūšanu laboratorijās.

Ķīmiski skābekli var iegūt, sadalot kālija permanganātu, ūdeņraža peroksīdu, Bartoleta sāli, nitrātus aktīvie metāli un smago metālu oksīdi. Apsveriet reakcijas vienādojumus katrai no šīm metodēm.

1. Ūdens elektrolīze:

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

5. Smago metālu oksīdu (piemēram, dzīvsudraba oksīda) sadalīšanās:

2HgO \u003d 2Hg + O 2

6. Aktīvo metālu nitrātu (piemēram, nātrija nitrāta) sadalīšanās:

2NaNO 3 \u003d 2NaNO 2 + O 2

Skābekļa pielietojums

Mēs esam gatavi ar ķīmiskajām īpašībām. Tagad ir pienācis laiks runāt par skābekļa izmantošanu cilvēka dzīvē. Tas ir nepieciešams degvielas sadedzināšanai elektriskajās un termoelektrostacijās. To izmanto tērauda ražošanai no čuguna un metāllūžņiem, metāla metināšanai un griešanai. Skābeklis ir nepieciešams ugunsdzēsēju maskām, ūdenslīdēju baloniem, tiek izmantots melnajā un krāsainajā metalurģijā un pat sprāgstvielu ražošanā. arī iekšā Pārtikas rūpniecība skābeklis ir pazīstams kā pārtikas piedeva E948. Šķiet, ka nav tādas nozares, kur to neizmantotu, bet medicīnā tai ir vissvarīgākā loma. Tur viņu sauc par "medicīnisko skābekli". Lai skābeklis būtu lietojams, tas tiek iepriekš saspiests. Skābekļa fizikālās īpašības veicina to, ka to var saspiest. Šajā formā tas tiek glabāts līdzīgos cilindros.

To izmanto intensīvajā terapijā un apkopes aprīkojuma operācijās dzīvības procesi slima pacienta organismā, kā arī noteiktu slimību ārstēšanā: dekompresijas, patoloģijas kuņģa-zarnu trakta. Ar tās palīdzību ārsti katru dienu izglābj daudzas dzīvības. Ķīmiskās un fizikālās īpašības skābeklis veicina to, ka to izmanto tik plaši.