Struktura atomu tlenu. Tlen: właściwości chemiczne pierwiastka
DEFINICJA
Tlen- ósmy element układu okresowego. Odnosi się do niemetali. Znajduje się w drugim okresie VI grupy A podgrupy.
Numer kolejny to 8. Ładunek jądra wynosi +8. Masa atomowa - 15,999 amu W przyrodzie występują trzy izotopy tlenu: 16 O, 17 O i 18 O, z których 16 O występuje najczęściej (99,762%).
Struktura elektronowa atomu tlenu
Atom tlenu ma dwie powłoki, podobnie jak wszystkie pierwiastki znajdujące się w drugim okresie. Numer grupy -VI (chalkogeny) - wskazuje, że na zewnętrznym poziomie elektronowym atomu azotu znajduje się 6 elektronów walencyjnych. Posiada wysoką zdolność utleniania (tylko fluor jest wyższy).
Ryż. 1. Schematyczne przedstawienie budowy atomu tlenu.
Konfiguracja elektroniczna stanu podstawowego jest zapisana w następujący sposób:
1s 2 2s 2 2p 4 .
Tlen jest elementem rodziny p. Wykres energetyczny dla elektronów walencyjnych w stanie niewzbudzonym przedstawia się następująco:
Tlen ma 2 pary sparowanych elektronów i dwa niesparowane elektrony. We wszystkich swoich związkach tlen wykazuje wartościowość II.
Ryż. 2. Przestrzenny obraz budowy atomu tlenu.
Przykłady rozwiązywania problemów
PRZYKŁAD 1
DEFINICJA
Tlen- element drugiego okresu grupy VIA Układu Okresowego pierwiastków chemicznych D.I. Mendelejew o liczbie atomowej 8. Symbol - O.
Masa atomowa - 16 rano Cząsteczka tlenu jest dwuatomowa i ma wzór - O 2
Tlen należy do rodziny pierwiastków p. Konfiguracja elektronowa atomu tlenu to 1s 2 2s 2 2p 4 . W swoich związkach tlen może wykazywać kilka stopni utlenienia: „-2”, „-1” (w nadtlenkach), „+2” (F 2 O). Tlen charakteryzuje się przejawem zjawiska alotropii - istnieniem w postaci kilku prostych substancji - modyfikacji alotropowych. Alotropowe modyfikacje tlenu to tlen O 2 i ozon O 3.
Właściwości chemiczne tlenu
Tlen jest silnym utleniaczem, ponieważ aby ukończyć zewnętrzne poziom elektroniczny brakuje mu tylko 2 elektronów, a łatwo je przyłącza. Pod względem reaktywności tlen ustępuje tylko fluorowi. Tlen tworzy związki ze wszystkimi pierwiastkami z wyjątkiem helu, neonu i argonu. Tlen reaguje bezpośrednio z halogenami, srebrem, złotem i platyną (ich związki otrzymywane są pośrednio). Prawie wszystkie reakcje z udziałem tlenu są egzotermiczne. Funkcja wiele reakcji w połączeniu z tlenem - uwolnienie dużej ilości ciepła i światła. Takie procesy nazywane są spalaniem.
Oddziaływanie tlenu z metalami. Więc metale alkaliczne(oprócz litu) tlen tworzy nadtlenki lub ponadtlenki, reszta - tlenki. Na przykład:
4Li + O2 = 2Li2O;
2Na + O2 \u003d Na2O2;
K + O 2 \u003d KO 2;
2Ca + O2 \u003d 2CaO;
4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2 O 3;
2Cu + O2 \u003d 2CuO;
3Fe + 2O 2 \u003d Fe 3 O 4.
Oddziaływanie tlenu z niemetalami. Oddziaływanie tlenu z niemetalami zachodzi po podgrzaniu; wszystkie reakcje są egzotermiczne, z wyjątkiem oddziaływania z azotem (reakcja jest endotermiczna, zachodzi w temperaturze 3000C in łuk elektryczny, w naturze - podczas wyładowania atmosferycznego). Na przykład:
4P + 5O2 \u003d 2P2O5;
C + O 2 \u003d CO 2;
2H2 + O2 \u003d 2H2O;
N 2 + O 2 ↔ 2NO - Q.
Interakcja z kompleksem substancje nieorganiczne. Gdy złożone substancje są spalane w nadmiarze tlenu, powstają tlenki odpowiednich pierwiastków:
2H2S + 3O2 \u003d 2SO2 + 2H2O (t);
4NH 3 + 3O 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O (t);
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (t, kat);
2PH 3 + 4O 2 = 2H 3PO 4 (t);
SiH4 + 2O2 \u003d SiO2 + 2H2O;
4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8 SO 2 (t).
Tlen jest w stanie utleniać tlenki i wodorotlenki do związków o wyższym stopniu utlenienia:
2CO + O2 \u003d 2CO2 (t);
2SO2 + O2 = 2SO3 (t, V2O5);
2NO + O 2 \u003d 2NO 2;
4FeO + O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 (t).
Interakcja ze złożonymi substancjami organicznymi. Prawie wszystkie substancje organiczne spalają się, utleniane przez tlen atmosferyczny do dwutlenku węgla i wody:
CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + H 2 O.
Oprócz reakcji spalania (całkowitego utlenienia) możliwe są również reakcje częściowego lub katalitycznego utleniania, w których produktami reakcji mogą być alkohole, aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe oraz inne substancje:
Utlenianie węglowodanów, białek i tłuszczów służy jako źródło energii w żywym organizmie.
Właściwości fizyczne tlenu
Tlen jest pierwiastkiem najobficiej występującym na ziemi (47% masy). Powietrze zawiera 21% tlenu objętościowo. Tlen - składnik woda, minerały, materia organiczna. Tkanki roślinne i zwierzęce zawierają 50-85% tlenu w postaci różnych związków.
W stanie wolnym tlen jest gazem bezbarwnym, bez smaku i zapachu, słabo rozpuszczalnym w wodzie (3 litry tlenu rozpuszczają się w 100 litrach wody o temperaturze 20C. Ciekły tlen niebieski kolor, ma właściwości paramagnetyczne (jest wciągany w pole magnetyczne).
Pozyskiwanie tlenu
Istnieją przemysłowe i laboratoryjne metody wytwarzania tlenu. Tak więc w przemyśle tlen uzyskuje się przez destylację ciekłego powietrza, a główne laboratoryjne metody pozyskiwania tlenu obejmują reakcje rozkładu termicznego złożonych substancji:
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
2KClO3 \u003d 2KCl + 3O2
Przykłady rozwiązywania problemów
PRZYKŁAD 1
| Zadanie | Rozkład 95 g tlenku rtęci (II) wytworzył 4,48 litra tlenu (NO). Oblicz proporcję rozłożonego tlenku rtęci (II) (w % wag.). |
| Rozwiązanie | Napiszmy równanie reakcji rozkładu tlenku rtęci (II): 2HgO \u003d 2Hg + O 2. Znając objętość uwolnionego tlenu, znajdujemy jego ilość substancji:
Zgodnie z równaniem reakcji n (HgO): n (O 2) \u003d 2: 1, zatem n (HgO) \u003d 2 × n (O 2) \u003d 0,4 mola. Obliczmy masę rozłożonego tlenku. Ilość substancji jest związana z masą substancji przez stosunek: Masa cząsteczkowa (masa cząsteczkowa jednego mola) tlenku rtęci (II), obliczona przy użyciu tabeli pierwiastków chemicznych D.I. Mendelejew - 217 g/mol. Wtedy masa tlenku rtęci (II) jest równa: m(HgO) = n(HgO) × m(HgO) \u003d 0,4 × 217 \u003d 86,8 g. Określmy ułamek masowy rozłożonego tlenku: |
mol.Tlen jest w drugim okresie VIth główna grupa przestarzała krótka wersja układu okresowego. Według nowych standardów numeracji jest to szesnasta grupa. Odpowiednia decyzja została podjęta przez IUPAC w 1988 roku. Wzór na tlen to prosta substancja- Około 2. Rozważ jego główne właściwości, rolę w przyrodzie i gospodarce. Zacznijmy od charakterystyki całej grupy układu okresowego, na czele którego stoi tlen. Ten pierwiastek różni się od pokrewnych mu chalkogenów, a woda różni się od selenu i telluru wodoru. Wyjaśnienie dla wszystkich cechy charakterystyczne można znaleźć tylko poprzez poznanie struktury i właściwości atomu.
Chalkogeny to pierwiastki związane z tlenem.
Atomy o podobnych właściwościach tworzą jedną grupę w układ okresowy. Tlen stoi na czele rodziny chalkogenów, ale różni się od nich szeregiem właściwości.
Masa atomowa tlenu, przodka grupy, wynosi 16 amu. m. Chalkogeny w tworzeniu związków z wodorem i metalami wykazują swój zwykły stopień utlenienia: -2. Na przykład w składzie wody (H 2 O) stopień utlenienia tlenu wynosi -2.
Skład typowych związków wodorowych chalkogenów odpowiada ogólnemu wzorowi: H 2 R. Po rozpuszczeniu tych substancji powstają kwasy. Tylko wiązanie wodorowe tlen - woda - ma szczególne właściwości. Według naukowców ta niezwykła substancja jest zarówno bardzo słabym kwasem, jak i bardzo słabą zasadą.
Siarka, selen i tellur mają typowe dodatnie stany utlenienia (+4, +6) w związkach z tlenem i innych niemetalach o wysokiej elektroujemności (EO). Odzwierciedlają skład tlenków chalkogenu ogólne formuły: RO 2 , RO 3 . Odpowiednie kwasy mają skład: H 2 RO 3 , H 2 RO 4 .
Pierwiastki odpowiadają prostym substancjom: tlen, siarka, selen, tellur i polon. Trzej pierwsi przedstawiciele wykazują właściwości niemetaliczne. Formuła tlenu to O 2. Alotropową modyfikacją tego samego pierwiastka jest ozon (O 3). Obie modyfikacje są gazami. Siarka i selen to stałe niemetale. Tellurium jest substancją metaloidalną, przewodnikiem prąd elektryczny, polon jest metalem.
Najczęstszym pierwiastkiem jest tlen
Wiemy już, że istnieje inny rodzaj istnienia tego samego pierwiastka chemicznego w postaci prostej substancji. To ozon, gaz, który tworzy warstwę na wysokości około 30 km od powierzchni ziemi, często nazywaną warstwą ozonową. Związany tlen zawarty jest w cząsteczkach wody, w składzie wielu skał i minerałów, związki organiczne.
Struktura atomu tlenu
Układ okresowy Mendelejewa zawiera pełne informacje o tlenie:
- Liczba porządkowa elementu to 8.
- Szarża rdzenia - +8.
- Całkowita liczba elektronów wynosi 8.
- Formuła elektronowa tlenu to 1s 2 2s 2 2p 4 .
W naturze są trzy stabilny izotop, które mają ten sam numer seryjny w układzie okresowym, identyczny skład protonów i elektronów, ale inny numer neutrony. Izotopy są oznaczone tym samym symbolem - O. Dla porównania przedstawiamy schemat odzwierciedlający skład trzech izotopów tlenu:
Właściwości tlenu - pierwiastka chemicznego
Na podpoziomie 2p atomu znajdują się dwa niesparowane elektrony, co wyjaśnia pojawienie się stanów utlenienia -2 i +2. Dwóch sparowanych elektronów nie można rozdzielić, aby zwiększyć stopień utlenienia do +4, tak jak w przypadku siarki i innych chalkogenów. Powodem jest brak wolnego podpoziomu. Dlatego w związkach pierwiastek chemiczny tlen nie wykazuje wartościowości i stopnia utlenienia równej liczbie grupowej w krótka wersja układ okresowy (6). Jego zwykły stopień utlenienia wynosi -2.
Tylko w związkach z fluorem tlen wykazuje dodatni stopień utlenienia +2, co jest dla niego nietypowe. Wartość EO dwóch mocnych niemetali jest różna: EO(O) = 3,5; EO (F) = 4. Jako bardziej elektroujemny pierwiastek chemiczny, fluor utrzymuje elektrony silniej i przyciąga cząsteczki walencyjne do atomów tlenu. Dlatego w reakcji z fluorem tlen jest reduktorem, oddaje elektrony.
Tlen to prosta substancja
Angielski badacz D. Priestley w 1774 roku podczas eksperymentów uwolnił gaz podczas rozkładu tlenku rtęci. Dwa lata wcześniej K. Scheele otrzymał tę samą substancję w czystej postaci. Dopiero kilka lat później francuski chemik A. Lavoisier ustalił, jaki rodzaj gazu jest częścią powietrza, zbadał właściwości. Wzór chemiczny tlen - O 2. Zastanówmy się, w zapisie składu substancji, elektrony biorące udział w tworzeniu niepolarnego wiązanie kowalencyjne- Och: Och. Zastąpmy każdą wiążącą parę elektronów jedną linią: O=O. Ta formuła tlenu wyraźnie pokazuje, że atomy w cząsteczce są połączone między dwiema wspólnymi parami elektronów.
Wykonajmy proste obliczenia i określmy, jaka jest względna masa cząsteczkowa tlenu: Mr (O 2) \u003d Ar (O) x 2 \u003d 16 x 2 \u003d 32. Dla porównania: Mr (powietrze) \u003d 29. Substancja chemiczna Formuła tlenu różni się od jednego atomu tlenu. Oznacza to, że Mr (O 3) \u003d Ar (O) x 3 \u003d 48. Ozon jest 1,5 razy cięższy niż tlen.
Właściwości fizyczne
Tlen jest gazem bezbarwnym, bez smaku i zapachu (w normalnej temperaturze i ciśnieniu atmosferycznym). Substancja jest nieco cięższa od powietrza; rozpuszczalny w wodzie, ale w małych ilościach. Temperatura topnienia tlenu jest ujemna i wynosi -218,3°C. Punkt, w którym ciekły tlen zamienia się z powrotem w gazowy, to jego temperatura wrzenia. Dla cząsteczek O 2 wartość tego wielkość fizyczna osiąga -182,96°C. W stanie ciekłym i stałym tlen nabiera jasnoniebieskiego koloru.
Pozyskiwanie tlenu w laboratorium
Podczas ogrzewania substancji zawierających tlen, takich jak nadmanganian potasu, bezbarwny gaz, który można pobrać do kolby lub probówki. Jeśli włożysz zapaloną pochodnię do czystego tlenu, pali się jaśniej niż w powietrzu. Dwie inne laboratoryjne metody otrzymywania tlenu to rozkład nadtlenku wodoru i chloranu potasu (sól Bertholleta). Rozważ schemat urządzenia, które służy do rozkładu termicznego.
Do probówki lub kolby okrągłodennej wsyp trochę soli berthollet, zamknij korkiem z rurką wylotową gazu. Jego przeciwny koniec należy skierować (pod wodą) na odwróconą do góry nogami kolbę. Szyję należy opuścić do szerokiej szklanki lub krystalizatora wypełnionego wodą. Podczas podgrzewania probówki z solą Berthollet uwalniany jest tlen. Przez rurkę wylotową gazu wchodzi do kolby, wypierając z niej wodę. Gdy kolbę napełni się gazem, zamyka się ją pod wodą korkiem i odwraca. Tlen uzyskany w tym eksperymencie laboratoryjnym można wykorzystać do badania właściwości chemicznych prostej substancji.
Spalanie
Jeśli laboratorium spala substancje w tlenie, to trzeba wiedzieć i obserwować przepisy przeciwpożarowe. Wodór spala się natychmiast w powietrzu, a zmieszany z tlenem w stosunku 2:1, jest wybuchowy. Spalanie substancji w czystym tlenie jest znacznie intensywniejsze niż w powietrzu. Zjawisko to tłumaczy się składem powietrza. Tlen w atmosferze stanowi nieco ponad 1/5 tej części (21%). Spalanie to reakcja substancji z tlenem, w wyniku której powstają różne produkty, głównie tlenki metali i niemetali. Mieszaniny O 2 z substancjami palnymi są łatwopalne, ponadto powstałe związki mogą być toksyczne.
Spaleniu zwykłej świecy (lub zapałki) towarzyszy powstawanie dwutlenku węgla. Poniższe doświadczenie można wykonać w domu. Jeśli spalisz substancję pod słoik lub dużą szklankę, spalanie ustanie, gdy tylko cały tlen zostanie zużyty. Azot nie wspomaga oddychania i spalania. Dwutlenek węgla, produkt utleniania, nie reaguje już z tlenem. Przezroczysty pozwala na wykrycie obecności po spaleniu świecy. Jeśli produkty spalania przechodzą przez wodorotlenek wapnia, roztwór staje się mętny. Między wodą wapienną a dwutlenkiem węgla zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje nierozpuszczalny węglan wapnia.
Produkcja tlenu na skalę przemysłową
Najtańszy proces, w wyniku którego powstają cząsteczki O 2 pozbawione powietrza, nie obejmuje reakcji chemicznych. W przemyśle, powiedzmy, w zakładach metalurgicznych powietrze o niskiej temperaturze i wysokie ciśnienie stopić. Taki niezbędne składniki atmosfera, jak azot i tlen, gotować w różne temperatury. Oddziel mieszankę powietrza, stopniowo podgrzewając do normalnej temperatury. Najpierw uwalniane są cząsteczki azotu, potem tlen. Metoda separacji opiera się na różnych właściwościach fizycznych prostych substancji. Formuła prostej substancji tlenu jest taka sama jak przed schłodzeniem i skropleniem powietrza - O 2.
W wyniku niektórych reakcji elektrolizy uwalniany jest również tlen, który jest zbierany nad odpowiednią elektrodą. Gaz jest potrzebny przedsiębiorstwom przemysłowym i budowlanym w dużych ilościach. Zapotrzebowanie na tlen stale rośnie, zwłaszcza w przemyśle chemicznym. Powstały gaz jest magazynowany do celów przemysłowych i medycznych w stalowych butlach wyposażonych w oznaczenia. Zbiorniki tlenu są pomalowane na niebiesko lub niebiesko, aby odróżnić je od innych. gazy skroplone- azot, metan, amoniak.
Obliczenia chemiczne według wzoru i równań reakcji z udziałem cząsteczek O 2
Wartość numeryczna masa cząsteczkowa tlen pokrywa się z inną wartością - względną masą cząsteczkową. Tylko w pierwszym przypadku istnieją jednostki miary. W skrócie, wzór na substancję tlenu i jego masę molową należy zapisać w następujący sposób: M (O 2) \u003d 32 g / mol. W normalnych warunkach mol dowolnego gazu odpowiada objętości 22,4 litra. Oznacza to, że 1 mol O2 to 22,4 litra substancji, 2 mol O2 to 44,8 litra. Zgodnie z równaniem reakcji między tlenem a wodorem można zauważyć, że 2 mole wodoru i 1 mol tlenu oddziałują:
Jeśli w reakcji bierze udział 1 mol wodoru, wówczas objętość tlenu wyniesie 0,5 mola. 22,4 l / mol \u003d 11,2 l.
Rola cząsteczek O 2 w przyrodzie i życiu człowieka
Tlen jest zużywany przez żywe organizmy na Ziemi i jest zaangażowany w cykl materii od ponad 3 miliardów lat. Jest to główna substancja do oddychania i metabolizmu, z jej pomocą następuje rozkład cząsteczek. składniki odżywcze, energia niezbędna organizmom jest syntetyzowana. Tlen jest stale zużywany na Ziemi, ale jego rezerwy są uzupełniane poprzez fotosyntezę. Rosyjski naukowiec K. Timiryazev wierzył, że dzięki temu procesowi życie nadal istnieje na naszej planecie.
Rola tlenu w przyrodzie i gospodarce jest ogromna:
- wchłaniany w procesie oddychania przez żywe organizmy;
- uczestniczy w reakcjach fotosyntezy roślin;
- jest częścią cząsteczek organicznych;
- procesy gnicia, fermentacji, rdzewienia przebiegają z udziałem tlenu, który działa jako utleniacz;
- służy do pozyskiwania wartościowych produktów syntezy organicznej.
Ciekły tlen w butlach służy do cięcia i spawania metali w wysokich temperaturach. Procesy te realizowane są w zakładach budowy maszyn, transporcie i firmy budowlane. Do prac pod wodą, pod ziemią, na wysoki pułap w przestrzeni pozbawionej powietrza ludzie również potrzebują cząsteczek O2. są stosowane w medycynie do wzbogacania składu powietrza wdychanego przez osoby chore. Gaz do celów medycznych różni się od gazu technicznego prawie całkowitym brakiem zanieczyszczeń i zapachu.
Tlen jest idealnym utleniaczem
Związki tlenu są znane ze wszystkich pierwiastków chemicznych układu okresowego, z wyjątkiem pierwszych przedstawicieli rodziny Gazy szlachetne. Wiele substancji reaguje bezpośrednio z atomami O, z wyjątkiem halogenów, złota i platyny. Bardzo ważne mają zjawiska związane z tlenem, którym towarzyszy wydzielanie się światła i ciepła. Takie procesy są szeroko stosowane w życiu codziennym i przemyśle. W metalurgii oddziaływanie rud z tlenem nazywa się prażeniem. Wstępnie rozdrobniona ruda jest mieszana z powietrzem wzbogaconym tlenem. W wysokich temperaturach metale są redukowane z siarczków do prostych substancji. W ten sposób pozyskuje się żelazo i niektóre metale nieżelazne. Obecność czystego tlenu zwiększa prędkość procesy technologiczne w różnych gałęziach chemii, technologii i metalurgii.
Pojawienie się taniej metody pozyskiwania tlenu z powietrza poprzez rozdział na składniki w niskiej temperaturze pobudziło rozwój wielu dziedzin produkcja przemysłowa. Chemicy uważają cząsteczki O 2 i atomy O za idealne środki utleniające. Są to materiały naturalne, są stale odnawiane w przyrodzie, nie zanieczyszczają środowisko. Oprócz, reakcje chemiczne z udziałem tlenu najczęściej kończy się syntezą innego naturalnego i bezpiecznego produktu - wody. Rola O 2 w neutralizacji toksycznych odpadów przemysłowych, oczyszczanie wody z zanieczyszczeń jest bardzo duża. Oprócz tlenu służy do dezynfekcji modyfikacja alotropowa— ozon. Ta prosta substancja ma wysoką aktywność utleniającą. Gdy woda jest ozonowana, zanieczyszczenia ulegają rozkładowi. Ozon ma również szkodliwy wpływ na patogenną mikroflorę.
TLEN (łac. Oxygenium), O, pierwiastek chemiczny grupy VI formy krótkiej (grupa 16 formy długiej) układu okresowego, należy do chalkogenów; liczba atomowa 8, masa atomowa 15.9994. Tlen naturalny składa się z trzech izotopów: 16 O (99,757%), 17 O (0,038%) i 18 O (0,205%). Przewaga najlżejszych izotopów 16O w mieszaninie wynika z faktu, że jądro atomu 16O składa się z 8 protonów i 8 neutronów. Równa liczba protonów i neutronów decyduje o wysokiej energii ich wiązania w jądrze i największej stabilności jąder 16 O w porównaniu z resztą. Radioizotopy zostały sztucznie uzyskane za pomocą liczby masowe 12-26.
Odniesienie do historii. Tlen uzyskali niezależnie w 1774 roku K. Scheele (przez kalcynację azotanów potasu KNO 3 i sodu NaNO 3 , dwutlenku manganu MnO 2 i innych substancji) oraz J. Priestleya (przez ogrzewanie tetratlenku ołowiu Pb 3 O 4 i tlenku rtęci HgO). Później, gdy okazało się, że tlen jest częścią kwasów, A. Lavoisier zaproponował nazwę oxygène (od greckiego όχύς – kwaśny i γεννάω – rodzę, stąd Rosyjskie imię"tlen").
dystrybucja w przyrodzie. Tlen jest najpowszechniejszym pierwiastkiem chemicznym na Ziemi: zawartość związanego chemicznie tlenu w hydrosferze wynosi 85,82% (głównie w postaci wody), w skorupa Ziemska-49% wagowo. Znanych jest ponad 1400 minerałów zawierających tlen. Wśród nich przeważają minerały utworzone przez sole kwasów zawierających tlen (najważniejsze klasy to naturalne węglany, naturalne krzemiany, naturalne siarczany, naturalne fosforany) i oparte na nich skały (na przykład wapień, marmur), a także różne naturalne tlenki, naturalne wodorotlenki i skały(na przykład bazalt). Tlen cząsteczkowy stanowi 20,95% objętości (23,10% masy) atmosfery ziemskiej. Tlen atmosferyczny jest pochodzenia biologicznego i powstaje w zielone rośliny zawierające chlorofil z wody i dwutlenku węgla podczas fotosyntezy. Ilość tlenu uwalnianego przez rośliny kompensuje ilość tlenu zużywanego w procesach gnicia, spalania i oddychania.
Tlen – pierwiastek biogenny – należy do najważniejszych klas naturalnych związków organicznych (białka, tłuszcze, kwasy nukleinowe, węglowodany itp.) oraz w składzie związki nieorganiczne szkielet.
Nieruchomości. Struktura zewnętrznej powłoki elektronowej atomu tlenu 2s 2 2p 4; w związkach wykazuje stany utlenienia -2, -1, rzadko +1, +2; Elektroujemność Paulinga 3,44 (najbardziej elektroujemny pierwiastek po fluorze); promień atomowy 60 po południu; promień jonu O 2 wynosi -121 pm (numer koordynacyjny 2). W stanie gazowym, ciekłym i stałym tlen występuje w postaci cząsteczki dwuatomowe Około 2 . Cząsteczki O 2 są paramagnetyczne. Istnieje również alotropowa modyfikacja tlenu - ozon, składająca się z trójatomowych cząsteczek O 3 .
W stanie podstawowym atom tlenu ma Liczba parzysta elektrony walencyjne, z których dwa są niesparowane. Dlatego tlen, który nie zawiera niskoenergetycznego pustego d-opbitalu, jest dwuwartościowy w większości związków chemicznych. W zależności od charakteru wiązania chemicznego i rodzaju struktury krystalicznej związku liczba koordynacyjna tlenu może być różna: O (tlen atomowy), 1 (np. O 2, CO 2), 2 (np. H2O, H2O2), 3 (np. H3O+), 4 (np. oksooctany Be i Zn), 6 (np. MgO, CdO), 8 (np. Na2O, Cs2O). Ze względu na mały promień atomu, tlen może tworzyć silne wiązania π z innymi atomami, na przykład z atomami tlenu (O 2, O 3), węglem, azotem, siarką i fosforem. Dlatego w przypadku tlenu jedno wiązanie podwójne (494 kJ/mol) jest energetycznie bardziej korzystne niż dwa wiązania proste (146 kJ/mol).
Paramagnetyzm cząsteczek O 2 tłumaczy się obecnością dwóch niesparowanych elektronów o równoległych spinach w podwójnie zdegenerowanych orbitalach antywiążących π*. Ponieważ w orbitalach wiążących cząsteczki jest o cztery elektrony więcej niż w orbitalach rozluźniających, kolejność wiązań w O2 wynosi 2, tj. wiązanie między atomami tlenu jest podwójne. Jeśli w wyniku działania fotochemicznego lub chemicznego dwa elektrony o przeciwnych spinach pojawią się na tym samym orbicie π *, powstaje pierwszy stan wzbudzony, położony o 92 kJ / mol o energii wyższej niż stan podstawowy. Jeżeli po wzbudzeniu atomu tlenu dwa elektrony zajmują dwa różne orbitale π* i mają przeciwne spiny, powstaje drugi stan wzbudzony, którego energia jest o 155 kJ/mol wyższa niż w stanie podstawowym. Wzbudzeniu towarzyszy wzrost międzyatomowy Odległości O-O: od 120.74 w stanie podstawowym do 121.55 dla pierwszego i do 122.77 dla drugiego stanu wzbudzonego, co z kolei prowadzi do osłabienia Połączenia O-O oraz do wzrostu reaktywności tlenu. Oba stany wzbudzone cząsteczki O 2 odgrywają ważną rolę w reakcjach utleniania w fazie gazowej.
Tlen jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i bez smaku; t pl -218,3 ° С, t kip -182,9 ° С, gęstość gazowego tlenu 1428,97 kg / dm 3 (przy 0 ° С i normalnym ciśnieniu). Ciekły tlen jest jasnoniebieskim płynem, stały tlen jest niebieską substancją krystaliczną. W temperaturze 0 °C przewodność cieplna wynosi 24,65-10 -3 W/(mK), molowa pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu wynosi 29,27 J/(mol K), przenikalność gazowego tlenu wynosi 1,000547, a ciekłego tlenu wynosi 1.491. Tlen jest słabo rozpuszczalny w wodzie (3,1% objętości tlenu w temperaturze 20°C), łatwo rozpuszczalny w niektórych rozpuszczalnikach fluoroorganicznych, takich jak perfluorodekalina (4500% tlenu objętościowo w temperaturze 0°C). Znaczna ilość tlenu jest rozpuszczana przez metale szlachetne: srebro, złoto i platynę. Rozpuszczalność gazu w stopionym srebrze (2200% objętości w temperaturze 962 ° C) gwałtownie spada wraz ze spadkiem temperatury, dlatego po schłodzeniu w powietrzu stopione srebro „wrze” i rozpryskuje się z powodu intensywnego uwalniania rozpuszczonego tlenu.
Tlen jest wysoce reaktywny, silny środek utleniający: w normalnych warunkach oddziałuje z najprostszymi substancjami, głównie poprzez tworzenie odpowiednich tlenków (wiele reakcji przebiega powoli w temperaturze pokojowej lub więcej niskie temperatury, po podgrzaniu towarzyszy wybuch i uwolnienie dużej ilości ciepła). Tlen oddziałuje w normalnych warunkach z wodorem (tworzy się woda H 2 O; mieszaniny tlenu z wodorem są wybuchowe - patrz Gaz detonujący), po podgrzaniu - z siarką (dwutlenek siarki SO 2 i trójtlenek siarki SO 3), węglem (tlenek węgla CO , dwutlenek węgla CO 2), fosfor (tlenki fosforu), wiele metali (tlenki metali), szczególnie łatwo z metalami alkalicznymi i ziem alkalicznych (głównie nadtlenki i ponadtlenki metali, np. nadtlenek baru BaO 2, nadtlenek potasu KO 2). Tlen oddziałuje z azotem w temperaturach powyżej 1200 °C lub pod wpływem wyładowania elektrycznego (tworzy się tlenek azotu NO). Pośrednio otrzymuje się związki tlenu z ksenonem, kryptonem, halogenami, złotem i platyną. Tlen nie tworzy związków chemicznych z helem, neonem i argonem. Ciekły tlen jest również silnym środkiem utleniającym: nasączona nim wata natychmiast wypala się po zapaleniu, niektóre lotne substancje organiczne są zdolne do samozapłonu, gdy znajdują się w odległości kilku metrów od otwartego naczynia z ciekłym tlenem.
Tlen tworzy trzy formy jonowe, z których każda determinuje właściwości odrębnej klasy związków chemicznych: O 2 - ponadtlenki (formalny stopień utlenienia atomu tlenu wynosi -0,5), O 2 - - związki nadtlenkowe (stan utlenienia atom tlenu to -1, na przykład nadtlenek wodoru H 2 O 2), tlenki O 2 - (stan utlenienia atomu tlenu -2). Dodatnie stany utlenienia +1 i +2 tlenu występują odpowiednio w fluorkach О 2 F 2 i OF 2 . Fluorki tlenu są nietrwałe, są silnymi utleniaczami i odczynnikami fluorującymi.
Tlen cząsteczkowy jest słabym ligandem i dodaje się do niektórych kompleksów Fe, Co, Mn, Cu. Wśród takich kompleksów najważniejsza jest porfiryna żelaza, która wchodzi w skład hemoglobiny, białka odpowiedzialnego za transport tlenu w ciele zwierząt stałocieplnych.
Rola biologiczna. Tlen, zarówno w postaci wolnej, jak i w różne substancje(np. enzymy oksydazy i oksydoreduktazy) bierze udział we wszystkich procesach oksydacyjnych zachodzących w organizmach żywych. W rezultacie wyróżnia się duża liczba energia wydatkowana w procesie życia.
Paragon fiskalny. Na skalę przemysłową tlen jest wytwarzany przez skraplanie i frakcyjną destylację powietrza (patrz rozdział powietrza w artykule), a także przez elektrolizę wody. W warunkach laboratoryjnych tlen uzyskuje się przez rozkład przez ogrzewanie nadtlenku wodoru (2P 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2), tlenki metali (na przykład tlenek rtęci: 2HgO \u003d 2Hg + O 2), sole tlenu- zawierające kwasy utleniające (na przykład chloran potasu : 2KlO3 \u003d 2KCl + 3O2, nadmanganian potasu: 2KMnO4 \u003d K2MnO4 + MnO2 + O2), przez elektrolizę wodnego roztworu NaOH. Tlen gazowy jest magazynowany i transportowany w stalowych butlach, pomalowanych na niebiesko, pod ciśnieniem 15 i 42 MPa, tlen ciekły - w metalowych naczyniach Dewara lub w specjalnych zbiornikach zbiornikowych.
Wniosek. Tlen techniczny jest stosowany jako środek utleniający w metalurgii (patrz na przykład proces konwertera tlenu), w obróbce metali płomieniem gazowym (patrz na przykład cięcie tlenem), w przemysł chemiczny w produkcji sztucznych paliw płynnych, olejów smarowych, kwasu azotowego i siarkowego, metanolu, nawozów amoniakalnych i amoniakalnych, nadtlenków metali itp. W aparatach tlenowych do oddychania stosuje się czysty tlen. statki kosmiczne, łodzie podwodne, podczas wspinania się na duże wysokości, wykonywania prac podwodnych, w celów leczniczych w medycynie (patrz artykuł Terapia Tlenowa). Ciekły tlen jest używany jako środek utleniający paliwo rakietowe, podczas prac strzałowych. Proponuje się stosowanie wodnych emulsji roztworów gazowego tlenu w niektórych rozpuszczalnikach fluoroorganicznych jako sztucznych substytutów krwi (na przykład perftoran).
Dosł. Saunders N. Oxygen i elementy grupy 16. Oxf., 2003; Drozdov A. A., Zlomanov V. P., Mazo G. N., Spiridonov F. M. Chemia nieorganiczna. M., 2004. T. 2; Shriver D., Atkins P. Chemia nieorganiczna. M., 2004. T. 1-2.
Wstęp
Codziennie oddychamy powietrzem, którego potrzebujemy. Czy zastanawiałeś się kiedyś, z jakich konkretnie substancji składa się powietrze? Przede wszystkim zawiera azot (78%), następnie tlen (21%) i gazy obojętne (1%). Chociaż tlen nie stanowi najbardziej podstawowej części powietrza, bez niego atmosfera byłaby niezdatna do zamieszkania. Dzięki niemu na Ziemi istnieje życie, ponieważ azot, zarówno razem, jak i indywidualnie, jest szkodliwy dla człowieka. Przyjrzyjmy się właściwościom tlenu.
Właściwości fizyczne tlenu
W powietrzu tlen jest po prostu nie do odróżnienia, ponieważ w normalnych warunkach jest gazem bez smaku, koloru i zapachu. Ale tlen może być sztucznie przeniesiony do innych stanów skupienia. Tak więc przy -183 o C staje się płynny, aw -219 o C twardnieje. Ale stały i płynny tlen może otrzymać tylko człowiek, aw naturze istnieje tylko w stanie gazowym. wygląda tak (zdjęcie). I twardy jak lód.
Fizyczne właściwości tlenu to także budowa cząsteczki prostej substancji. Atomy tlenu tworzą dwie takie substancje: tlen (O 2) i ozon (O 3). Poniżej przedstawiono model cząsteczki tlenu.
Tlen. Właściwości chemiczne
Pierwszą rzeczą, od której zaczyna się charakterystyka chemiczna pierwiastka, jest jego pozycja w układzie okresowym D. I. Mendelejewa. Tak więc tlen znajduje się w 2. okresie 6. grupy głównej podgrupy pod numerem 8. Jego masa atomowa wynosi 16 amu, jest niemetalem.
W chemia nieorganiczna jego dwuskładnikowe związki z innymi pierwiastkami zostały połączone w osobny - tlenki. może tworzyć się tlen związki chemiczne zarówno metale, jak i niemetale.
Porozmawiajmy o zdobyciu go w laboratoriach.
Chemicznie tlen można uzyskać przez rozkład nadmanganianu potasu, nadtlenku wodoru, soli Bartoleta, azotanów metale aktywne i tlenki metali ciężkich. Rozważ równania reakcji dla każdej z tych metod.
1. Elektroliza wody:
H 2 O 2 \u003d H 2 O + O 2
5. Rozkład tlenków metali ciężkich (np. tlenku rtęci):
2HgO \u003d 2Hg + O 2
6. Rozkład azotanów metali aktywnych (na przykład azotanu sodu):
2NaNO 3 \u003d 2NaNO 2 + O 2
Zastosowanie tlenu
Skończyliśmy z właściwościami chemicznymi. Teraz nadszedł czas, aby porozmawiać o wykorzystaniu tlenu w życiu człowieka. Jest potrzebny do spalania paliw w elektrowniach i elektrociepłowniach. Służy do produkcji stali z żeliwa i złomu, do spawania i cięcia metalu. Tlen jest potrzebny do masek strażackich, butli nurków, jest używany w metalurgii żelaza i metali nieżelaznych, a nawet do produkcji materiałów wybuchowych. także w Przemysł spożywczy tlen jest znany jako dodatek do żywności E948. Wydaje się, że nie ma przemysłu, w którym nie jest używany, ale w medycynie odgrywa najważniejszą rolę. Tam nazywany jest „tlenem medycznym”. Aby tlen był użyteczny, jest wstępnie sprężony. Właściwości fizyczne tlenu przyczyniają się do tego, że można go skompresować. W tej postaci jest przechowywany w podobnych do nich butlach.
Jest stosowany w intensywnej terapii oraz w operacjach w sprzęcie do konserwacji Procesy życiowe w ciele chorego pacjenta, a także w leczeniu niektórych chorób: dekompresji, patologii przewód pokarmowy. Z jego pomocą lekarze codziennie ratują wiele istnień. Chemiczne i właściwości fizyczne tlen przyczynia się do tego, że jest tak szeroko stosowany.
Ładowanie...