Кислород и его химические свойства | теория по химии 🧪 химия элементов

Кислород — самый распространенный элемент земной коры, встречающийся в свободном виде и входящий в состав огромного числа веществ. Кислород принадлежит к главной подгруппе VI группы таблицы Менделеева. Здесь же находятся сера (S), селен (Se), теллур (Te), полоний (Po). Общее название этих элементов — халькогены, то есть «рождающие руды». Обычный кислород — газ без цвета, запаха и вкуса, тяжелее воздуха. В свободном состоянии кислород существует в двух аллотропных модификациях: кислород и озон.

Валентность и степени окисления

Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня кислорода — ns2np4.  От других халькогенов атом кислорода отличается  отсутствием d-подуровня. В своих соединениях кислород, как правило, двухвалентен (II), в  большинстве соединений проявляет степень окисления −2 (исключение составляют OF2 (+2), O2F(+1) и пероксиды, например, H2O2 (-1), также существуют надпероксиды, озониды — в них степень окисления иная, но в стандартной школьной программе их нет). Несмотря на степень окисления -1, валентность кислорода в пероксидах II!

В таблице представлены основные соединения из школьной программы:

Соединения кислорода Степень окисления Валентность Примеры
Оксиды -2 II Li2O, CaO, FeO, Fe2O3
Пероксиды -1 II H2O2, Na2O2, BaO2
Фторид +2 II OF2

Получение кислорода

  1. Лабораторные способы получения кислорода (обязательно для ЕГЭ):
    • 2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2↑ (при нагревании);
    • 2KClO3 → 2KCl + 3O2↑ ( при нагревании в присутствии катализатора MnO2);
    • 2HgO → 2Hg + O2↑ (при нагревании).
  2. Практически весь свободный кислород на планете возник и сохраняется в результате процесса фотосинтеза
    • 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
  3. В промышленности кислород получают путем сжижения воздуха и дальнейшего разделения компонентов смеси, основанного на разности их температур кипения tкип(O2) = −183 C,  tкип(N2) = −196 C.

Химические свойства кислорода

Кислород по электроотрицательности уступает только фтору, поэтому О2 — типичный окислитель.

  1. Окисляет неметаллы, однако с галогенами непосредственно не реагирует:
    • 2H2 + O2 → 2H2O (горение водорода в кислороде);
    • S + O2 → SO2 (горение серы в кислороде).
    • 4P + 3O2 → 2P2O3 (медленное окисление);
    • 4P + 5O2 → 2P2O5 (горение);
    • N2 + O2 ⇄ 2NO (2000 градусов, или электрический разряд)
    • C + O2 (избыток) → CO2↑;
    • 2C + O2 (недостаток) → 2CO↑;
  2. Взаимодействует с металлами (так как щелочные металлы образуют пероксиды, надпероксиды и т.д., то в школьной программе из них нужно знать про натрий и литий):
    • 4Li + O2 → 2Li2O (литий образует оксид)
    • 2Na + O2 → Na2O2 (натрий образует пероксид!, для получения оксида натрия нужно знать реакцию пероксида натрия с натрием: Na2O2+Na→Na2O)
    • 2Ca + O2 → 2CaO (оксид);
    • 3Fe(раскал.) + 2O2(воздух) → Fe3O4 (железная окалина, смешанный оксид).
    • 4Fe(раскал.) + 3O2(чистый) → 2Fe2O(в избытке, то есть в чистом кислороде железо образует оксид в максимальной степени окисления +3).
  3. Окисляет сложные вещества неорганической и органической природы (более подробно про окисления веществ в соответствующих главах про элементы):
    • 4NH3 + 3O2→ 2N2 + 6H2O  (горение аммиака в кислороде);
    • 4NH3 + 5O2 → 4NO↑ + 6H2O (каталитическое окисление аммиака до оксида азота (II) в присутствии катализатора платины (Pt);
    • 2H2S + 3O2→ 2SO2 + 2H2O (горение сероводорода в избытке кислорода);
    • CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O (горение метана в кислороде).

Озон

Озон, O3 — аллотропная модификация кислорода, газ с характерным запахом, неустойчивое соединение и постепенно превращается в обычный кислород. В высоких концентрациях весьма токсичен. Озон в малых концентрациях содержится в стратосфере Земли. Наличие озонового слоя играет огромную роль для всего живого на Земле. Получают озон пропусканием электрических разрядов через кислород:

3O2 → 2O3 (под действием электрического разряда или при нагревании до 2500C)

Непосредственно реакций с озоном в программе ЕГЭ нет, однако могут быть вопросы, с кем он может реагировать. Нужно понимать, что озон более сильный окислитель, чем кислород. То есть вещества, которые реагируют с кислородом, точно реагируют с озоном. Примеры особых реакций приведены ниже:

  • 2KI + O3 + H2O → I2↓ + 2KOH + O2↑ (качественная реакция на O3);
  • 2FeSO4 + O3 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + H2O + O2↑;
  • O3 + H2O2 → H2O + 2O2↑;
  • O3 + 2Ag → Ag2O + O2↑;
  • 2O3 + PbS → PbSO4 + O2↑;
  • O3 + 2NO2 → N2O5 + O2
Текст: Базанов Даниил, 891 👀