Structura atomului de oxigen. Oxigen: proprietăți chimice ale elementului

DEFINIȚIE

Oxigen- al optulea element al tabelului periodic. Se referă la nemetale. Este situat în a doua perioadă a VI-a grupă A a subgrupului.

Numărul de ordine este 8. Sarcina nucleului este +8. Greutatea atomică - 15.999 amu În natură apar trei izotopi ai oxigenului: 16 O, 17 O și 18 O, dintre care 16 O este cel mai comun (99,762%).

Structura electronică a atomului de oxigen

Atomul de oxigen are două învelișuri, ca toate elementele situate în a doua perioadă. Numărul grupului -VI (calcogeni) - indică faptul că există 6 electroni de valență în nivelul electronic exterior al atomului de azot. Are o mare capacitate de oxidare (doar fluorul este mai mare).

Orez. 1. Reprezentarea schematică a structurii atomului de oxigen.

Configurația electronică a stării fundamentale este scrisă după cum urmează:

1s 2 2s 2 2p 4 .

Oxigenul este un element al familiei p. Diagrama de energie pentru electronii de valență în starea neexcitată este următoarea:

Oxigenul are 2 perechi de electroni perechi și doi electroni neperechi. În toți compușii săi, oxigenul prezintă valența II.

Orez. 2. Imagine spațială a structurii atomului de oxigen.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

DEFINIȚIE

Oxigen- un element din perioada a doua a grupei VIA a Sistemului periodic de elemente chimice D.I. Mendeleev, cu număr atomic 8. Simbol - O.

Masa atomică - 16 a.m.u. Molecula de oxigen este diatomică și are formula - O2

Oxigenul aparține familiei de elemente p. Configurația electronică a atomului de oxigen este 1s 2 2s 2 2p 4 . În compușii săi, oxigenul este capabil să prezinte mai multe stări de oxidare: „-2”, „-1” (în peroxizi), „+2” (F 2 O). Oxigenul se caracterizeaza prin manifestarea fenomenului de alotropie - existenta sub forma mai multor substante simple - modificari alotropice. Modificările alotropice ale oxigenului sunt oxigenul O2 și ozonul O3.

Proprietățile chimice ale oxigenului

Oxigenul este un agent oxidant puternic, deoarece pentru a completa exteriorul nivel electronicîi lipsesc doar 2 electroni și îi atașează ușor. În ceea ce privește reactivitatea, oxigenul este al doilea după fluor. Oxigenul formează compuși cu toate elementele, cu excepția heliului, neonului și argonului. Oxigenul reacționează direct cu halogenii, argintul, aurul și platina (compușii acestora sunt obținuți indirect). Aproape toate reacțiile care implică oxigen sunt exoterme. Caracteristică multe reacții de combinație cu oxigenul - eliberarea unei cantități mari de căldură și lumină. Astfel de procese se numesc combustie.

Interacțiunea oxigenului cu metalele. Asa de Metale alcaline(cu excepția litiului) oxigenul formează peroxizi sau superoxizi, restul - oxizi. De exemplu:

4Li + O2 = 2Li2O;

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.

Interacțiunea oxigenului cu nemetale. Interacțiunea oxigenului cu nemetalele are loc atunci când este încălzit; toate reacțiile sunt exoterme, cu excepția interacțiunii cu azotul (reacția este endotermă, are loc la 3000C în arc electric, în natură - în timpul unei descărcări de fulgere). De exemplu:

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

C + O 2 \u003d CO 2;

2H2 + O2 \u003d 2H2O;

N 2 + O 2 ↔ 2NO - Q.

Interacțiunea cu complexul substante anorganice. Când substanțele complexe sunt arse într-un exces de oxigen, se formează oxizi ai elementelor corespunzătoare:

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

4NH 3 + 3O 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O (t);

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H20 (t, kat);

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

SiH4 + 2O2 \u003d SiO2 + 2H2O;

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

Oxigenul este capabil să oxideze oxizii și hidroxizii la compuși cu o stare de oxidare mai mare:

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

2S02 + O2 = 2S03 (t, V2O5);

2NO + O 2 \u003d 2NO 2;

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

Interacțiunea cu substanțe organice complexe. Aproape toate substanțele organice ard, fiind oxidate de oxigenul atmosferic în dioxid de carbon și apă:

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

Pe lângă reacțiile de ardere (oxidare completă), sunt posibile și reacțiile de oxidare parțială sau catalitică, caz în care produșii de reacție pot fi alcooli, aldehide, cetone, acizi carboxiliciși alte substanțe:

Oxidarea carbohidraților, proteinelor și grăsimilor servește ca sursă de energie într-un organism viu.

Proprietățile fizice ale oxigenului

Oxigenul este cel mai abundent element de pe pământ (47% din masă). Aerul conține 21% oxigen în volum. Oxigen - componentă apă, minerale, materie organică. Țesuturile vegetale și animale conțin 50-85% oxigen sub formă de diverși compuși.

În stare liberă, oxigenul este un gaz incolor, insipid și inodor, slab solubil în apă (3 litri de oxigen se dizolvă în 100 de litri de apă la 20C. Oxigen lichid culoarea albastra, are proprietăți paramagnetice (este atras într-un câmp magnetic).

Obținerea oxigenului

Există metode industriale și de laborator pentru producerea oxigenului. Deci, în industrie, oxigenul este obținut prin distilarea aerului lichid, iar principalele metode de laborator pentru obținerea oxigenului includ reacțiile de descompunere termică a substanțelor complexe:

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

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Sarcina

Descompunerea a 95 g de oxid de mercur (II) a produs 4,48 litri de oxigen (N.O.). Calculați proporția de oxid de mercur (II) descompus (în % în greutate).

Soluţie

Să scriem ecuația reacției pentru descompunerea oxidului de mercur (II): 2HgO \u003d 2Hg + O 2. Cunoscând volumul de oxigen eliberat, găsim cantitatea de substanță a acestuia: mol. Conform ecuației reacției n (HgO): n (O 2) \u003d 2: 1, prin urmare, n (HgO) \u003d 2 × n (O 2) \u003d 0,4 mol. Să calculăm masa oxidului descompus. Cantitatea de substanță este legată de masa substanței prin raportul: Masa molară (greutatea moleculară a unui mol) de oxid de mercur (II), calculată folosind tabelul elementelor chimice din D.I. Mendeleev - 217 g/mol. Atunci masa oxidului de mercur (II) este egală cu: m(HgO) = n(HgO) × M(HgO) \u003d 0,4 × 217 \u003d 86,8 g. Să determinăm fracția de masă a oxidului descompus:

Oxigenul se află în a doua perioadă a secolului al VI-lea grupul principal o versiune scurtă învechită a tabelului periodic. Conform noilor standarde de numerotare, acesta este al 16-lea grup. Decizia corespunzătoare a fost luată de IUPAC în 1988. Formula pentru oxigen este o substanță simplă- Cam 2. Luați în considerare principalele sale proprietăți, rolul în natură și economie. Să începem cu caracteristicile întregului grup al sistemului periodic, care este condus de oxigen. Elementul este diferit de calcogenii înrudiți, iar apa este diferită de hidrogenul, seleniul și telurul. Explicație pentru toată lumea trăsături distinctive poate fi găsit doar învățând despre structura și proprietățile atomului.

Calcogenii sunt elemente legate de oxigen.

Atomii cu proprietăți similare formează un grup în sistem periodic. Oxigenul conduce familia calcogenului, dar diferă de ei printr-o serie de proprietăți.

Masa atomică a oxigenului, strămoșul grupului, este de 16 amu. m. Calcogenii în formarea compuşilor cu hidrogen şi metale îşi arată starea obişnuită de oxidare: -2. De exemplu, în compoziția apei (H 2 O), numărul de oxidare al oxigenului este -2.

Compoziția compușilor tipici cu hidrogen ai calcogenilor corespunde formulei generale: H 2 R. Când aceste substanțe sunt dizolvate, se formează acizi. Numai legătură de hidrogen oxigenul - apa - are proprietati deosebite. Potrivit oamenilor de știință, această substanță neobișnuită este atât un acid foarte slab, cât și o bază foarte slabă.

Sulful, seleniul și telurul au stări de oxidare pozitive tipice (+4, +6) în compușii cu oxigen și alte nemetale cu electronegativitate ridicată (EO). Compoziția oxizilor de calcogen reflectă formule generale: RO 2 , RO 3 . Acizii corespunzători au compoziţia: H 2 RO 3 , H 2 RO 4 .

Elementele corespund unor substanțe simple: oxigen, sulf, seleniu, telur și poloniu. Primii trei reprezentanți prezintă proprietăți nemetalice. Formula oxigenului este O2. O modificare alotropică a aceluiași element este ozonul (O 3). Ambele modificări sunt gaze. Sulful și seleniul sunt nemetale solide. Telurul este o substanță metaloidă, conductor curent electric, poloniul este un metal.

Oxigenul este cel mai comun element

Știm deja că există un alt fel de existență a aceluiași element chimic sub forma unei substanțe simple. Acesta este ozonul, un gaz care formează un strat la o înălțime de aproximativ 30 km de suprafața pământului, numit adesea strat de ozon. Oxigenul legat este inclus în moleculele de apă, în compoziția multor roci și minerale, compusi organici.

Structura atomului de oxigen

Tabelul periodic al lui Mendeleev conține informații complete despre oxigen:

1. Numărul ordinal al elementului este 8.
2. Încărcare de bază - +8.
3. Numărul total de electroni este 8.
4. Formula electronică a oxigenului este 1s 2 2s 2 2p 4 .

Sunt trei în natură izotop stabil, care au același număr de serie în tabelul periodic, compoziție identică de protoni și electroni, dar număr diferit neutroni. Izotopii sunt desemnați prin același simbol - O. Pentru comparație, prezentăm o diagramă care reflectă compoziția a trei izotopi de oxigen:

Proprietățile oxigenului - un element chimic

Există doi electroni nepereche la subnivelul 2p al atomului, ceea ce explică apariția stărilor de oxidare -2 și +2. Cei doi electroni perechi nu pot fi separați pentru a crește starea de oxidare la +4, ca și în cazul sulfului și al altor calcogeni. Motivul este absența unui subnivel liber. Prin urmare, în compuși element chimic oxigenul nu prezintă o valență și o stare de oxidare egală cu numărul de grup în versiune scurta sistem periodic (6). Numărul său obișnuit de oxidare este -2.

Numai în compușii cu fluor oxigenul prezintă o stare de oxidare pozitivă de +2, ceea ce este necaracteristic pentru acesta. Valoarea EO a două nemetale puternice este diferită: EO(O) = 3,5; EO (F) = 4. Ca element chimic mai electronegativ, fluorul își reține electronii mai puternic și atrage particulele de valență către atomii de oxigen. Prin urmare, în reacția cu fluor, oxigenul este un agent reducător, donează electroni.

Oxigenul este o substanță simplă

Cercetătorul englez D. Priestley în 1774, în timpul experimentelor, a eliberat gaz în timpul descompunerii oxidului de mercur. Cu doi ani mai devreme, K. Scheele a obținut aceeași substanță în forma sa pură. Doar câțiva ani mai târziu, chimistul francez A. Lavoisier a stabilit ce fel de gaz face parte din aer, a studiat proprietățile. Formula chimica oxigen - O2. Să reflectăm în înregistrarea compoziției substanței electronii implicați în formarea unui nepolar legătură covalentă- Oh:: Oh. Să înlocuim fiecare pereche de electroni de legătură cu o linie: O=O. Această formulă de oxigen arată clar că atomii din moleculă sunt conectați între două perechi comune de electroni.

Să efectuăm calcule simple și să determinăm care este greutatea moleculară relativă a oxigenului: Mr (O 2) \u003d Ar (O) x 2 \u003d 16 x 2 \u003d 32. Pentru comparație: Mr (aer) \u003d 29. Substanța chimică formula oxigenului diferă de unul un atom de oxigen. Aceasta înseamnă că Mr (O 3) \u003d Ar (O) x 3 \u003d 48. Ozonul este de 1,5 ori mai greu decât oxigenul.

Proprietăți fizice

Oxigenul este un gaz incolor, insipid și inodor (la temperatură și presiune atmosferică normale). Substanța este puțin mai grea decât aerul; solubil în apă, dar în cantități mici. Punctul de topire al oxigenului este negativ și este de -218,3 °C. Punctul în care oxigenul lichid se transformă înapoi în oxigen gazos este punctul său de fierbere. Pentru moleculele de O 2, valoarea acesteia cantitate fizica atinge -182,96 °C. În stare lichidă și solidă, oxigenul capătă o culoare albastru deschis.

Obținerea oxigenului în laborator

Când substanțele care conțin oxigen, cum ar fi permanganatul de potasiu, sunt încălzite, gaz incolor, care poate fi colectat într-un balon sau eprubetă. Dacă aduceți o torță aprinsă în oxigen pur, arde mai puternic decât în ​​aer. Alte două metode de laborator pentru obținerea oxigenului sunt descompunerea peroxidului de hidrogen și a cloratului de potasiu (sare berthollet). Luați în considerare schema dispozitivului, care este utilizat pentru descompunerea termică.

Într-o eprubetă sau într-un balon cu fund rotund, se toarnă puțină sare berthollet, se închide cu un dop cu un tub de evacuare a gazului. Capătul său opus trebuie îndreptat (sub apă) către balonul întors cu susul în jos. Gâtul trebuie coborât într-un pahar larg sau un cristalizator umplut cu apă. Când o eprubetă cu sare Berthollet este încălzită, se eliberează oxigen. Prin tubul de evacuare a gazului, acesta intră în balon, deplasând apa din acesta. Când balonul este umplut cu gaz, acesta este închis sub apă cu un dop și răsturnat. Oxigenul obținut în acest experiment de laborator poate fi folosit pentru a studia proprietățile chimice ale unei substanțe simple.

Combustie

Dacă laboratorul arde substanțe în oxigen, atunci trebuie să știți și să observați regulamentele de incendiu. Hidrogenul arde instantaneu în aer, iar amestecat cu oxigen într-un raport de 2:1, este exploziv. Arderea substanţelor în oxigen pur este mult mai intensă decât în ​​aer. Acest fenomen se explică prin compoziția aerului. Oxigenul din atmosferă este puțin mai mult de 1/5 din parte (21%). Arderea este reacția substanțelor cu oxigenul, în urma căreia se formează diverși produse, în principal oxizi de metale și nemetale. Amestecuri de O 2 cu substanțe combustibile sunt inflamabile, în plus, compușii rezultați pot fi toxici.

Arderea unei lumânări obișnuite (sau a chibritului) este însoțită de formarea de dioxid de carbon. Următoarea experiență se poate face acasă. Dacă ardeți o substanță sub Borcan de sticlă sau un pahar mare, arderea se va opri imediat ce tot oxigenul este epuizat. Azotul nu sprijină respirația și arderea. Dioxidul de carbon, produs al oxidării, nu mai reacționează cu oxigenul. Transparent vă permite să detectați prezența după arderea lumânării. Dacă produsele de ardere sunt trecute prin hidroxid de calciu, soluția devine tulbure. Are loc o reacție chimică între apa de var și dioxid de carbon, rezultând carbonat de calciu insolubil.

Producția de oxigen la scară industrială

Cel mai ieftin proces, care are ca rezultat molecule de O 2 fără aer, nu implică reacții chimice. În industrie, să zicem, în uzinele metalurgice, aerul la temperatură scăzută și presiune ridicata lichefia. Astfel de componente esentiale atmosfera, precum azotul și oxigenul, se fierbe la temperaturi diferite. Separați amestecul de aer în timp ce se încălzește treptat la temperatura normală. În primul rând, sunt eliberate molecule de azot, apoi oxigen. Metoda de separare se bazează pe diferite proprietăți fizice ale substanțelor simple. Formula unei substanțe simple de oxigen este aceeași ca și înainte de răcirea și lichefierea aerului - O 2.

Ca urmare a unor reacții de electroliză, se eliberează și oxigen, acesta este colectat peste electrodul corespunzător. Întreprinderile industriale și de construcții au nevoie de gaz în cantități mari. Cererea de oxigen este în continuă creștere, în special în industria chimică. Gazul rezultat este stocat în scopuri industriale și medicale în butelii de oțel prevăzute cu marcaje. Rezervoarele de oxigen sunt vopsite cu albastru sau cyan pentru a le distinge de altele. gaze lichefiate- azot, metan, amoniac.

Calcule chimice după formula și ecuațiile reacțiilor care implică molecule de O 2

Valoare numerică Masă molară oxigenul coincide cu o altă valoare - greutatea moleculară relativă. Doar în primul caz există unități de măsură. Pe scurt, formula pentru substanța oxigenului și masa sa molară ar trebui scrisă după cum urmează: M (O 2) \u003d 32 g / mol. În condiții normale, un mol de orice gaz corespunde unui volum de 22,4 litri. Aceasta înseamnă că 1 mol O 2 reprezintă 22,4 litri de substanță, 2 mol O 2 reprezintă 44,8 litri. Conform ecuației reacției dintre oxigen și hidrogen, se poate observa că 2 moli de hidrogen și 1 mol de oxigen interacționează:

Dacă în reacție este implicat 1 mol de hidrogen, atunci volumul de oxigen va fi de 0,5 mol. 22,4 l / mol \u003d 11,2 l.

Rolul moleculelor de O 2 în natură și viața umană

Oxigenul este consumat de organismele vii de pe Pământ și a fost implicat în ciclul materiei de peste 3 miliarde de ani. Aceasta este principala substanță pentru respirație și metabolism, cu ajutorul ei are loc descompunerea moleculelor. nutrienți, se sintetizează energia necesară organismelor. Oxigenul este consumat constant pe Pământ, dar rezervele sale sunt completate prin fotosinteză. Omul de știință rus K. Timiryazev credea că, datorită acestui proces, viața încă există pe planeta noastră.

Rolul oxigenului în natură și economie este mare:

• absorbit în procesul de respirație de către organismele vii;
• participă la reacțiile de fotosinteză la plante;
• face parte din moleculele organice;
• procesele de degradare, fermentație, ruginire au loc cu participarea oxigenului, care acționează ca un agent oxidant;
• folosite pentru a obţine produse valoroase de sinteză organică.

Oxigenul lichefiat în cilindri este utilizat pentru tăierea și sudarea metalelor la temperaturi ridicate. Aceste procese se desfășoară la fabricile de mașini, transport și firme de constructii. Pentru lucru sub apă, subteran, pe altitudine inaltaîn spațiul fără aer, oamenii au nevoie și de molecule de O2. sunt folosite în medicină pentru îmbogățirea compoziției aerului inhalat de bolnavi. Gazul de uz medical diferă de gazul tehnic prin absența aproape completă a impurităților și a mirosului.

Oxigenul este agentul oxidant ideal

Compușii oxigenului sunt cunoscuți cu toate elementele chimice ale tabelului periodic, cu excepția primilor reprezentanți ai familiei gaze nobile. Multe substanțe reacționează direct cu atomii de O, cu excepția halogenilor, aurului și platinei. Mare importanță au fenomene care implică oxigen, care sunt însoțite de eliberarea de lumină și căldură. Astfel de procese sunt utilizate pe scară largă în viața de zi cu zi și în industrie. În metalurgie, interacțiunea minereurilor cu oxigenul se numește prăjire. Minereul pre-zdrobit este amestecat cu aer îmbogățit cu oxigen. La temperaturi ridicate, metalele sunt reduse de la sulfuri la substanțe simple. Așa se obține fierul și unele metale neferoase. Prezența oxigenului pur crește viteza procese tehnologiceîn diverse ramuri ale chimiei, tehnologiei și metalurgiei.

Apariția unei metode ieftine de obținere a oxigenului din aer prin separare în componente la temperatură scăzută a stimulat dezvoltarea multor zone productie industriala. Chimiștii consideră moleculele de O 2 și atomii de O ca fiind agenți oxidanți ideali. Acestea sunt materiale naturale, sunt reînnoite constant în natură, nu poluează mediu inconjurator. In afara de asta, reacții chimice cu participarea oxigenului, cel mai adesea se termină cu sinteza unui alt produs natural și sigur - apa. Rolul O 2 în neutralizarea deșeurilor industriale toxice, purificarea apei de poluare este mare. Pe lângă oxigen, este folosit pentru dezinfecție modificare alotropică— ozon. Această substanță simplă are o activitate oxidantă ridicată. Când apa este ozonizată, poluanții se descompun. Ozonul are, de asemenea, un efect dăunător asupra microflorei patogene.

OXIGEN (Oxigenul latin), O, un element chimic din grupa VI a formei scurte (grupa 16 a formei lungi) a sistemului periodic, aparține calcogenilor; numărul atomic 8, masă atomică 15,9994. Oxigenul natural este format din trei izotopi: 16 O (99,757%), 17 O (0,038%) și 18 O (0,205%). Predominanța celor mai ușori izotopi de 16 O din amestec se datorează faptului că nucleul atomului de 16 O este format din 8 protoni și 8 neutroni. Un număr egal de protoni și neutroni determină energia mare a legării lor în nucleu și cea mai mare stabilitate a 16 nuclee O în comparație cu restul. Radioizotopii au fost obținuți artificial cu numerele de masă 12-26.

Referință istorică. Oxigenul a fost obținut independent în 1774 de către K. Scheele (prin calcinarea nitraților de potasiu KNO 3 și NaNO 3 de sodiu, dioxid de mangan MnO 2 și alte substanțe) și J. Priestley (prin încălzirea tetroxidului de plumb Pb 3 O 4 și oxidului de mercur HgO). Mai târziu, când s-a constatat că oxigenul face parte din acizi, A. Lavoisier a propus denumirea de oxygène (din grecescul όχύς - acru și γεννάω - nasc, deci nume rusesc"oxigen").

distribuţie în natură. Oxigenul este cel mai comun element chimic de pe Pământ: conținutul de oxigen legat chimic din hidrosferă este de 85,82% (în principal sub formă de apă), în Scoarta terestra-49% din greutate. Sunt cunoscute peste 1400 de minerale care conțin oxigen. Printre acestea predomină mineralele formate din sărurile acizilor care conțin oxigen (cele mai importante clase sunt carbonați naturali, silicați naturali, sulfați naturali, fosfați naturali) și roci pe bază de acestea (de exemplu, calcar, marmură), precum și diverse oxizi naturali, hidroxizi naturali si stânci(de exemplu, bazalt). Oxigenul molecular reprezintă 20,95% în volum (23,10% în masă) din atmosfera terestră. Oxigenul atmosferic este de origine biologică și se formează în plante verzi care conțin clorofilă din apă și dioxid de carbon în timpul fotosintezei. Cantitatea de oxigen eliberată de plante compensează cantitatea de oxigen consumată în procesele de descompunere, ardere și respirație.

Oxigenul - un element biogen - face parte din cele mai importante clase de compuși organici naturali (proteine, grăsimi, acizi nucleici, carbohidrați etc.) și în compoziție compuși anorganici schelet.

Proprietăți. Structura învelișului electron exterior al atomului de oxigen 2s 2 2p 4; în compuși prezintă stări de oxidare -2, -1, rar +1, +2; Electronegativitatea Pauling 3,44 (cel mai electronegativ element după fluor); raza atomică ora 60; raza ionului O 2 este de -121 pm (numărul de coordonare 2). În stare gazoasă, lichidă și solidă, oxigenul există sub formă molecule diatomice Aproximativ 2 . Moleculele de O 2 sunt paramagnetice. Există, de asemenea, o modificare alotropică a oxigenului - ozon, constând din molecule triatomice de O 3.

În starea fundamentală, atomul de oxigen are număr par electroni de valență, dintre care doi sunt nepereche. Prin urmare, oxigenul, care nu are un d-orbital vacant de energie scăzută, este bivalent în majoritatea compușilor chimici. În funcție de natura legăturii chimice și de tipul structurii cristaline a compusului, numărul de coordonare al oxigenului poate fi diferit: O (oxigen atomic), 1 (de exemplu, O 2, CO 2), 2 (de exemplu, H20, H202), 3 (de exemplu H30+), 4 (de exemplu, oxoacetaţi de Be şi Zn), 6 (de exemplu, MgO, CdO), 8 (de exemplu Na20, Cs20). Datorită razei mici a atomului, oxigenul este capabil să formeze legături π puternice cu alți atomi, de exemplu, cu atomii de oxigen (O 2, O 3), carbon, azot, sulf și fosfor. Prin urmare, pentru oxigen, o legătură dublă (494 kJ/mol) este energetic mai favorabilă decât două legături simple (146 kJ/mol).

Paramagnetismul moleculelor de O 2 se explică prin prezența a doi electroni neperechi cu spini paraleli în orbitalii π* antilegători dublu degenerați. Deoarece există patru electroni mai mulți în orbitalii de legătură ai moleculei decât în ​​orbitalii de slăbire, ordinea legăturilor în O 2 este 2, adică legătura dintre atomii de oxigen este dublă. Dacă, sub o acțiune fotochimică sau chimică, pe același orbital π * apar doi electroni cu spini opuși, apare prima stare excitată, situată cu 92 kJ/mol mai mare ca energie decât starea fundamentală. Dacă, la excitarea unui atom de oxigen, doi electroni ocupă doi orbitali π* diferiți și au spini opuși, apare o a doua stare excitată, a cărei energie este cu 155 kJ/mol mai mare decât cea a stării fundamentale. Excitația este însoțită de o creștere a interatomiei distante O-O: de la 120.74 pm în starea fundamentală până la 121.55 pm pentru prima și până la 122.77 pm pentru a doua stare excitată, care la rândul său duce la slăbire Conexiuni O-Oși la o creștere a reactivității oxigenului. Ambele stări excitate ale moleculei de O 2 joacă un rol important în reacțiile de oxidare în faza gazoasă.

Oxigenul este un gaz incolor, inodor și fără gust; t pl -218,3 ° С, t kip -182,9 ° С, densitatea oxigenului gazos 1428,97 kg / dm 3 (la 0 ° С și presiune normală). Oxigenul lichid este un lichid albastru pal, oxigenul solid este o substanță cristalină albastră. La 0 °C, conductibilitatea termică este de 24,65-10 -3 W/(mK), capacitatea de căldură molară la presiune constantă este de 29,27 J/(mol K), permitivitatea oxigenului gazos este de 1,000547, iar cea a oxigenului lichid este 1.491. Oxigenul este slab solubil în apă (3,1% oxigen în volum la 20°C), ușor solubil în unii solvenți organofluorinați, cum ar fi perfluorodecalin (4500% oxigen în volum la 0°C). O cantitate semnificativă de oxigen este dizolvată de metalele nobile: argint, aur și platină. Solubilitatea gazului în argint topit (2200% în volum la 962 ° C) scade brusc odată cu scăderea temperaturii, prin urmare, atunci când este răcit în aer, topitura de argint „fierbe” și stropește datorită eliberării intense de oxigen dizolvat.

Oxigenul este foarte reactiv, un agent oxidant puternic: interacționează cu majoritatea substanțelor simple în condiții normale, în principal cu formarea oxizilor corespunzători (multe reacții care au loc lent la temperatura camerei sau mai mult temperaturi scăzute, atunci când sunt încălzite, sunt însoțite de o explozie și degajarea unei cantități mari de căldură). Oxigenul interacționează în condiții normale cu hidrogenul (se formează apa H 2 O; amestecurile de oxigen cu hidrogen sunt explozive - vezi Gaz de detonare), atunci când este încălzit - cu sulf (dioxid de sulf SO 2 și trioxid de sulf SO 3), carbon (oxid de carbon CO). , dioxid de carbon CO 2), fosfor (oxizi de fosfor), multe metale (oxizi de metal), mai ales ușor cu metale alcaline și alcalino-pământoase (în principal peroxizi și superoxizi de metal, cum ar fi peroxidul de bariu BaO 2, superoxidul de potasiu KO 2). Oxigenul interacționează cu azotul la temperaturi peste 1200 °C sau atunci când este expus la o descărcare electrică (se formează monoxid de azot NO). Compușii de oxigen cu xenon, cripton, halogeni, aur și platină se obțin indirect. Oxigenul nu formează compuși chimici cu heliu, neon și argon. Oxigenul lichid este, de asemenea, un agent oxidant puternic: vata impregnată cu ea se arde imediat la aprindere, unele substanțe organice volatile sunt capabile să se autoaprinde atunci când se află la o distanță de câțiva metri de un vas deschis cu oxigen lichid.

Oxigenul formează trei forme ionice, fiecare dintre acestea determinând proprietățile unei clase separate de compuși chimici: O 2 - superoxizi (starea formală de oxidare a atomului de oxigen este -0,5), O 2 - - compuși peroxid (starea de oxidare a atomul de oxigen este -1, de exemplu, peroxid de hidrogen H 2 O 2), O 2- - oxizi (starea de oxidare a atomului de oxigen -2). Stările de oxidare pozitive +1 și +2 de oxigen se manifestă în fluorurile О 2 F 2 și, respectiv, OF 2. Fluorurile de oxigen sunt instabile, sunt agenți puternici de oxidare și reactivi de fluorurare.

Oxigenul molecular este un ligand slab și se adaugă unor complecși Fe, Co, Mn, Cu. Dintre astfel de complexe, cel mai important este porfirina de fier, care face parte din hemoglobina, o proteină care efectuează transferul de oxigen în corpul animalelor cu sânge cald.

Rolul biologic. Oxigenul, atât în ​​formă liberă, cât și în diverse substante(de exemplu, enzimele oxidaze și oxidoreductaze) participă la toate procesele oxidative care apar în organismele vii. Drept urmare, iese în evidență un numar mare de energia cheltuită în procesul vieții.

chitanta. La scară industrială, oxigenul este produs prin lichefierea și distilarea fracționată a aerului (vezi Separarea aerului în articol), precum și prin electroliza apei. În condiții de laborator, oxigenul se obține prin descompunere prin încălzirea peroxidului de hidrogen (2P 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2), oxizi metalici (de exemplu, oxid de mercur: 2HgO \u003d 2Hg + O 2), săruri de oxigen- care conțin acizi oxidanți (de exemplu, clorat de potasiu: 2KlO 3 \u003d 2KCl + 3O 2, permanganat de potasiu: 2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2), prin electroliza unei soluții apoase de NaOH. Oxigenul gazos este depozitat și transportat în butelii de oțel, vopsite în albastru, la o presiune de 15 și 42 MPa, oxigen lichid - în vase Dewar metalice sau în rezervoare speciale.

Aplicație. Oxigenul tehnic este folosit ca agent oxidant în metalurgie (vezi, de exemplu, procesul de conversie a oxigenului), în prelucrarea metalelor cu flacără gazoasă (vezi, de exemplu, tăierea cu oxicombustibil), în industria chimicaîn producția de combustibili lichizi artificiali, uleiuri lubrifiante, acizi azotic și sulfuric, metanol, îngrășăminte cu amoniac și amoniac, peroxizi metalici etc. Oxigenul pur este utilizat în aparatele de respirație cu oxigen pentru nave spațiale, submarine, la urcarea la altitudini mari, efectuarea de lucrări subacvatice, în scopuri medicinaleîn medicină (vezi articolul Terapia cu oxigen). Oxigenul lichid este folosit ca agent oxidant propulsori pentru rachete, în timpul sablare. Se propune ca emulsii apoase de soluții de oxigen gazos în unii solvenți organofluorinați să fie utilizate ca înlocuitori artificiali de sânge (de exemplu, perftoran).

Lit.: Saunders N. Oxigen si elemente din grupa 16. Oxf., 2003; Drozdov A. A., Zlomanov V. P., Mazo G. N., Spiridonov F. M. Chimie anorganică. M., 2004. T. 2; Shriver D., Atkins P. Chimie anorganică. M., 2004. T. 1-2.

Introducere

În fiecare zi respirăm aerul de care avem nevoie. Te-ai gândit vreodată în ce, mai precis, din ce substanțe este compus aerul? Cel mai mult conține azot (78%), urmat de oxigen (21%) și gaze inerte (1%). Deși oxigenul nu constituie cea mai elementară parte a aerului, fără el atmosfera ar fi nelocuită. Datorită lui, viața există pe Pământ, deoarece azotul, atât împreună, cât și individual, este dăunător pentru oameni. Să ne uităm la proprietățile oxigenului.

Proprietățile fizice ale oxigenului

În aer, oxigenul pur și simplu nu se distinge, deoarece în condiții normale este un gaz fără gust, culoare și miros. Dar oxigenul poate fi transferat artificial în alte stări de agregare. Deci, la -183 o C devine lichidă, iar la -219 o C se întărește. Dar oxigenul solid și lichid poate fi obținut doar de o persoană, iar în natură există doar în stare gazoasă. arata asa (foto). Și tare ca gheața.

Proprietățile fizice ale oxigenului sunt, de asemenea, structura moleculei unei substanțe simple. Atomii de oxigen formează două astfel de substanțe: oxigenul (O 2) și ozonul (O 3). Modelul unei molecule de oxigen este prezentat mai jos.

Oxigen. Proprietăți chimice

Primul lucru cu care începe caracteristica chimică a unui element este poziția sa în sistemul periodic al lui D. I. Mendeleev. Deci, oxigenul se află în a 2-a perioadă a grupului 6 al subgrupului principal la numărul 8. Masa sa atomică este de 16 amu, este un nemetal.

ÎN Chimie anorganică compușii săi binari cu alte elemente au fost combinați într-unul separat - oxizi. se poate forma oxigen compuși chimici atât metale cât și nemetale.

Să vorbim despre obținerea lui în laboratoare.

Din punct de vedere chimic, oxigenul poate fi obținut prin descompunerea permanganatului de potasiu, peroxid de hidrogen, sare bartolet, nitrați. metale activeși oxizi de metale grele. Luați în considerare ecuațiile de reacție pentru fiecare dintre aceste metode.

1. Electroliza apei:

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

5. Descompunerea oxizilor de metale grele (de exemplu oxid de mercur):

2HgO \u003d 2Hg + O 2

6. Descompunerea nitraților metalelor active (de exemplu, nitrat de sodiu):

2NaNO 3 \u003d 2NaNO 2 + O 2

Aplicarea oxigenului

Am terminat cu proprietățile chimice. Acum este timpul să vorbim despre utilizarea oxigenului în viața umană. Este necesar pentru arderea combustibilului în centralele electrice și termice. Este folosit pentru a produce oțel din fontă și fier vechi, pentru sudarea și tăierea metalului. Oxigenul este necesar pentru măștile pompierilor, cilindrii scafandrilor, este folosit în metalurgia feroasă și neferoasă, și chiar în fabricarea explozivilor. De asemenea, în Industria alimentară oxigenul este cunoscut sub numele de aditiv alimentar E948. Se pare că nu există o industrie în care să nu fie folosit, dar joacă cel mai important rol în medicină. Acolo este numit „oxigen medical”. Pentru ca oxigenul să fie utilizabil, acesta este precomprimat. Proprietățile fizice ale oxigenului contribuie la faptul că poate fi comprimat. În această formă, este stocat în interiorul unor cilindri asemănători acestora.

Se folosește în terapie intensivă și în operații în echipamente de întreținere procesele viețiiîn corpul unui pacient bolnav, precum și în tratamentul anumitor boli: decompresie, patologii tract gastrointestinal. Cu ajutorul lui, medicii salvează multe vieți în fiecare zi. Chimice și proprietăți fizice oxigenul contribuie la faptul că este utilizat atât de larg.