Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Проста речовина

Добування_.Основним промисловим методом добування кисню є виділення його з повітря за допомогою скраплення останнього та фракційної дистиляції. Оскільки кисень є газом, щоб його перевести у рідкий стан газ необхідно спочатку охолодити до температури, нижчої за критичну, яка досить низька (-118 °С), а потім піддати дії високого тиску.

Кисень має вищу температуру кипіння (-183 °С) порівняно з азотом (-196 °С), тому під час дистиляції азот випаровується і збирається для використання, а кисень залишається в рідкому стані в нижній частині ректифікаційної колони. Такий кисень містить незначні домішки азоту, вуглекислого газу ти близько 3 % аргону, який має близьку до кисню температуру кипіння (-186 °С).

Кисень високого ступеня чистоти добувають електролізом води. Цей метод використовують переважно для добування водню (катодний процес), але одночасно на аноді одержують другий корисний продукт - кисень.

Кисень зберігають і транспортують під тиском 15 МПа у стальних балонах, пофарбованих у блакитний колір з чорним написом «Кисень». Великі кількості кисню зберігають у скрапленому стані. Для цього використовують спеціальні ємкості (так звані танки), які мають ефективну теплоізоляцію.

Лабораторні методи добування кисню ґрунтуються на розкладі багатих на нього, але відносно нестійких хімічних сполук. Наприклад, кисень можна одержати під час термічного розкладу перманганату калію КМnО₄, хлорату калію КСlO₃ (за наявності каталізатора, наприклад МnO₂, Fe₂О₃, Сr₂О₃), нітратів, оксидів металів тощо:

2KC1O₃ ® 2KC1 + 3O₂;

2KMnO₄ ®K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂;

2KNO₃ ®2KNO₂ + O₂;

2HgO ® 2Hg + O₂.

Зручним способом лабораторного добування кисню є розклад гідроген пероксиду за наявності каталізатора МnО₂:

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂.

Фізичні властивості.Вільний кисень складається з двохатомних молекул O₂. Внаслідок ковалентної природи зв' язку кисень є типовим газом з низькими температурами кипіння (-183 °С) та плавлення (-218,7 °С). Газоподібний кисень безбарвний, не має запаху і смаку, у рідкому та твердому станах має блідо-синє забарвлення.

У 100 об’ємах води за температури 0°С розчиняється близько 5 об’ємів кисню, за 20 °С - близько 3 об’ємів (або 0,004 % (мас.)).

Води гідросфери вміщують 1,5 -10¹³ т розчиненого кисню. Він легко розчиняється в органічних розчинниках, тому простого переливання таких рідин на повітрі достатньо для насичення їх киснем. Кисень здатний також розчинятися у деяких розплавлених металах (сріблі, платині, золоті, паладії). Так, один об^’єм срібла вбирає близько 10 об’ємів кисню.

Низькі температури кипіння і плавлення кисню пояснюють тим, що молекула О₂ неполярна і має малу здатність до поляризації. Це зумовлює існування в конденсованих станах речовини лише слабких сил дисперсійної міжмолекулярної взаємодії, які легко долаються вже за відносно низьких температур. Саме тому неполярні і малополяризовані молекули кисню мають низьку розчинність у поляризованій воді.

Довжина хімічного зв'язку в молекулі О₂ становить 120,7 пм, що істотно менше за довжину одинарного ковалентного зв' язку О—О. Наприклад, у молекулі Н—О—О—Н вона становить 149 пм. Згідно з цим енергія зв' язку в молекулі O₂ велика і становить 494 кДж/моль, що значно перевищує енергію одинарного зв’язку О—О (в молекулі Н—О—О—Н вона становить 210 кДж/моль.)- Цим пояснюють той факт, що гемолітична дисоціація молекул кисню на атоми розпочинається лише за температури понад 1500 °С. Вона може відбуватися також у разі вбирання ультрафіолетового випромінювання (фотоліз). Тому біля земної поверхні кисень в атмосфері перебуває у молекулярному стані О₂, а вище за 100 км основною формою існування кисню стає атомарний. Молекули О₂ розщеплюються тут на атоми під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Молекула кисню парамагнітна, наявність парамагнетизму відповідає розміщенню на молекулярній орбіталі двох неспарених електронів. Внаслідок парамагнетизму рідкий і твердий кисень притягається магнітним полем.

Утворення хімічних зв' язків у молекулі О₂ та деякі її властивості пояснює метод молекулярних орбіталей. Так, мала-довжина зв' язку між атомами О-О та висока його енергія зумовлені тим, що кратність зв' язку в молекулі кисню О₂ дорівнює 2.

Парамагнітні властивості молекули О₂ спричинені наявністю двох неспарених електронів, які, за правилом Хунда, займають дві окремі вироджені розпушувальні молекулярні орбіталі. Атом кисню порівняно з молекулою має більшу енергію іонізації (відповідно 1313 і 1165 кДж/моль), оскільки у разі іонізації молекули О₂ електрон відщеплюється з енергетично вищої (ніж атомні) розпушувальної молекулярної орбіталі. Утворення молекулярних іонів О₂⁺, О₂^-та О₂^2- можливе тому, що число зв' язувальних електронів перевищує число розпушувальних (кратність зв’язку більша за нуль).

На Землі виявлено три стабільні нукліди кисню: О (99,759 % (мас.)), О (0,037 % (мас.)) та О (0,204 % (мас.)). Штучно одержано три радіоактивні нукліди кисню, період піврозпаду яких не перевищує десятків секунд.

Кисень має алотропну модифікацію — озон О₃.

Хімічні властивості.Кисень характеризується високою хімічною активністю і належить до типових окисників. Він реагує з більшістю простих речовин, найчастіше утворюючи оксиди, в яких має ступінь окиснення -2. Такі реакції зазвичай відбуваються з досить великою швидкістю лише за підвищених температур, оскільки потребують активації молекул О₂:

Великі від^’ємні значення стандартної енергії Гіббса утворення багатьох оксидів свідчать про значну спорідненість цих елементів до кисню.

Кисень безпосередньо не окиснює лише благородні гази, деякі метали (золото, платину) та галогени. Для таких систем зміна енергії Гіббса має додатне значення, наприклад DG°(Au₂О₃(т)) = 79 кДж/моль, DG°(ClO₂(г.))=122 кДж/моль.

Проте оксиди цих елементів, за винятком гелію, неону та аргону, можна одержати непрямим шляхом, наприклад:

Оксиди можуть утворюватися не лише під час окиснення киснем простих речовин. Багато складних речовин за певних умов також взаємодіє з киснем. При цьому утворюються оксиди елементів, а іноді й оксиди, і прості речовини, наприклад:

Здебільшого реакції окиснення відбуваються з достатньою швидкістю лише за підвищеної температури, оскільки потрібна деяка енергія для активації молекул O₂.

Якщо окиснення речовин відбувається енергійно, з виділенням великої кількості теплоти і світла, то такі процеси називають горінням. Вони відбуваються, як правило, за умови надлишку повітря або чистого кисню і завершуються утворенням кінцевих продуктів окиснення (СО₂, Н₂О, SО₂, Р₂О₅, N₂ тощо). Наприклад, під час горіння ацетилену в середовищі кисню температура полум'я досягає 3200 °С.

Відносно повільні реакції окиснення залежно від характеру речовини називають іржавінням (окиснення металів), тлінням (окиснення органічних решток), а найчастіше просто окисненням.

Майже 90 % кисню, що потрапляє в організм людини, використовується під час дихання як акцептор електронів. Енергію, що виділяється в разі окиснення різних субстратів молекулярним киснем, організм використовує для синтезу життєво необхідного аденозинтрифосфату (АТФ). М’яке окиснення молекулярним киснем різних субстратів у живих організмах є основним джерелом енергії для забезпечення перебігу процесів життєдіяльності.

Про значну окиснювальну здатність кисню у водних розчинах свідчить високе значення стандартного електродного потенціалу його відновлення до води:

О₂ + 4Н⁺ + 4е^- = 2Н₂О, Е° = 1,23 В (при рН = 0).

Для пірометалургійних способів добування металів та деяких неметалів широко використовують процес окиснювального випалювання природних сульфідних мінералів з метою їх переведення у відповідні оксиди (далі оксиди відновлюють до простих речовин), наприклад:

Класифікацію основних типів неорганічних сполук кисню за ступенями його окиснення подано наведеною нижче схемою:

Оксиди.Загальні методи добування оксидів вам відомі із курсу хімії середньої школи.

Взагалі утворення одноатомних багатозарядних аніонів типу Еⁿ^- енергетичне невигідне. З цієї причини не існує сполук, до складу яких входять вільні іони О²^-. Навіть у кристалічних оксидах найактивніших металів (Na₂О, СаО тощо) ефективний негативний заряд атома кисню істотно менший за -2.

В оксидах неметалів різниця між електронегативностями атомів кисню і неметалу невелика, тому хімічний зв' язок у них ковалентний полярний. Більшість таких сполук за звичайних умов — гази, леткі рідини або легкоплавкі тверді речовини. Це пояснюється тим, що вони в твердому стані утворюють, як правило, молекулярні кристалічні ґратки зі слабкими силами міжмолекулярної взаємодії. Навпаки, оксиди з полімерними структурами значно міцніші і більш тугоплавкі. До таких речовин належить, наприклад, SiO₂. Він має полімерну структуру, в якій кожен атом силіцію сполучений з чотирма атомами кисню (відбувається sр³-гібридизація валентних орбіталей атомів силіцію) й утворює тетраедр, а кожен атом оксигену, у свою чергу, сполучений з двома атомами силіцію. Внаслідок цього полімерний SіО₂ на відміну від мономерного СО₂ за звичайних умов хімічно неактивний і має високу температуру плавлення (1700 °С). В оксидах неметалів валентні орбіталі атомів кисню найчастіше перебувають у стані sр³-гібридизації.

Оксиди неметалів за хімічною природою кислотні. Більшість із них розчиняється у воді з утворенням відповідних кислот, тому їх називають ангідридами кислот:

СO₂ + Н₂O « Н₂СO₃;

SО₃ + Н₂О « Н₂SО₄.

Оксиди найактивніших металів мають переважно іонний зв'язок і за хімічною природою основні. До найтиповіших з них належать оксиди лужних і лужноземельних металів, їм відповідають гідроксиди, які є сильними основами.

У міру зростання ступеня окиснення металу збільшується частка ковалентності в його хімічному зв'язку з киснем. Такі оксиди з іонно-ковалентним зв'язком амфотерні, їм відповідають амфотерні гідроксиди, здатні дисоціювати за типом слабких основ за місцем зв' язку Ме—ОН і за типом слабких кислот — за місцем зв' язку МеО—Н. До таких оксидів належать переважно оксиди металів, які мають відносно невелику електронегативність, наприклад А1₂О₃, Сr₂О₃, РbО, ZпО, Fе₂О₃ тощо. Залежно від умов вони виявляють властивості основних або кислотних оксидів. Амфотерні оксиди з водою не взаємодіють (не розчиняються), але можуть реагувати як з кислотами, так і з лугами, а під час нагрівання — з основними та кислотними оксидами з утворенням солей.

Оксиди металів (d-елементів) з високими ступенями окиснення мають ковалентний характер зв' язків між атомами в молекулах (СrО₃, Мn₂О₇, Rе₂О₇, ОsО₄ тощо). Частина з них розчиняється у воді з утворенням гідратів, які дисоціюють за типом кислот за місцем найбільш полярного зв' язку Н—О:

Перелічені оксиди мають кислотну природу і також належать до ангідридів кислот.

Перехідні елементи здатні утворювати нестехіометричні оксиди, їхні кристалічні ґратки складаються зі щільно упакованих іонів оксиду, а частина пустот такої структури заповнена іонами металу, наприклад FеО_1-_x (х=0,05-0,10). Існують також неcтехіометричні оксиди, у кристалічних ґратках яких пустоти наповнені надлишковим, тобто надстехіометричним киснем, наприклад U_2+Х (х = 0,00—0,30).

На початкових стадіях реакцій металів з киснем можуть утворюватися субоксиди — сполуки з металічним зв' язком. Вони є продуктом вкорінення атомів оксигену в кристалічні ґратки металів, наприклад Ті₆О, Ті₃О.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Поширення в природі	\|	Похідні молекулярних іонів кисню

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.