Кислород. Его свойства, получение и применение

О2 + hv — О2*

*O2 + O2 = O3 + O

О + О2 = О3 ,

или суммарно: 

3О2 = 2О3

В технике озон получают при электрических разрядах в озонаторах. 

Молекула О3 неустойчива, и при большой концентрации озон распадается с взрывом:

2О2 = 3О2

Окислительная активность озона намного выше, чем у кислорода. Например, уже в обычных условиях озон окисляет такие малоактивные простые вещества, как серебро и ртуть с образованием их оксидов и кислорода:

8Ag + 2O3 = 4Ag2O + O2

Как сильный окислитель, озон используется для очистки питьевой воды, для дезинфекция воздуха. Воздух хвойных лесов считается полезным, так как в нем содержится небольшое количество озона, который образуется при окислении смолы хвойных деревьев.

Еще более сильным окислителем, чем кислород О2, является озон О3 (аллотропическая модификация кислорода). Он образуется в атмосфере при грозовых разрядах, чем объясняется специфический запах свежести после грозы.

В лабораториях озон получают пропусканием разряда через кислород (реакция эндотермическая):

302     203  - 284 кДж.

При взаимодействии озона с раствором иодида калия выделяется иод, тогда как с кислородом эта реакция не идет:

2KI + 03 + Н20 = I2 + 2КОН + 02.

Реакция часто используется как качественная для обнаружения ионов I- или озона. Для этого в раствор добавляют крахмал, который дает характерный синий комплекс с выделившимся иодом. Реакция качественная еще и потому, что озон не окисляет ионы Cl- и Br-

Имеется еще одна модификация кислорода -  четырехатомная (О4):

O — O

O — O

Эта модификация образуется при слабом взаимодействии двух молекул кислорода. Содержание четырехатомных молекул в газообразном кислороде в обычных условиях составляет всего лишь 0,1% от общего числа молекул, в жидком и твердом кислороде — до 50%. Существует равновесие:

2О2 —  О4

При низких    температурах   оно   смещено   вправо, т. е. в сторону   образования молекул О4. Структурные изменения молекул вызывают различия в свойствах веществ. Так, жидкий и твердый кислород в отличие от газообразного окрашены в синий цвет.

Кислород при нагревании взаимодействует с водородом с образованием воды. При поджигании смеси обоих газов в объемных пропорциях 2:1 (гремучий газ) реакция протекает со взрывом. Но она может протекать и спокойно, если эту смесь привести в соприкосновение с очень малым количеством мелкораздробленной платины, играющей роль катализатора:

2Н2 + О8 = 2 Н20 + 572,6 кдж/моль

Кислород непосредственно может окислять все металлы. Если металл обладает высокой летучестью, то процесс окисления обычно идет в виде горения. Горение же малолетучих металлов в кислороде может осуществляться при условии высокой летучести образующегося оксида. Эффективность этого процесса зависит от восстановительной активности металла и характеризуется величиной теплоты образования получающегося продукта. Продукты взаимодействия металлов с кислородом (оксиды) могут быть основным, кислотными и амфотерными.

При горении некоторых активных металлов в кислороде иногда образуются не их оксиды, а надпероксиды и пероксиды. Так, при горении калия и рубидия образуются надпероксиды этих металлов:

K + O2 = KO2                                          

Связано это с тем, что молекула кислорода может присоединять или терять электроны с образованием молекулярных ионов типа О2-2, O2- и O2+. Присоединение одного электрона к кислороду вызывает образование надпероксид-иона O2:

 О  — О  + ё = [ О — О ]- 

Наличие непарного электрона в ионе О2- обусловливает парамагнетизм надпероксидов.

Присоединяя два электрона, молекула кислорода пре

вращается в пероксид-ион О2-2, в котором атомы связа

ны одной двухэлектронной связью, и поэтому он диамагнитен:

 О  — О  + 2ё = [ О — О ]-2   

Например, взаимодействие бария с кислородом идет с образованием пероксида BaO2:

Ва + О2 = ВаО2

VI. Получение кислорода.

Многообразие химических соединений, содержащих кислород, и их доступность позволяют получать кислород различными способами. Все способы получения кислорода можно разделить на две группы: физические и химические. Большинство из них относится к химическим, т. е. в основе получения кислорода лежат те или иные реакции. Например, когда необходим особо чистый кислород, его получают из воды путем разложения ее. Рассмотрим этот способ.

В сосуд, наполненный электролитам (дистиллированная вода, подкисленная серной кислотой), опускают электроды, чаще всего платиновые, и пропускают электрический ток. Положительно заряженные ионы водорода перемещаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицательно заряженные гидроксид-ионы ОН- и сульфат-ионы SO42- направляются к положительно заряженному электроду (аноду). На электродах ионы разряжаются. Следует заметить, что разряд ионов Н+ и ОН- происходит намного легче, чем сульфат-ионов SO42- Таким образом, на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород:

4Н+ + 4ё  — 2Н2

4ОН- - 4ё  — 2Н2О + О2

Выделяющиеся газы собирают в разные сосуды или непосредственно используют.

В условиях лаборатории в качестве электролита удобнее воспользоваться раствором щелочи. Тогда электроды можно изготовить из железной проволоки или листа. В щелочной среде разрядке на катоде подвергаются непосредственно молекулы воды:

Н2О + ё — Н° + Н-

Н° + Н° — H2 

Для опыта используют лабораторный электролизер. Это U-образная трубка из стекла, в которую впаяны электроды. При электролитическом способе получают достаточно чистый кислород (0,1% примесей).

Рассмотрим еще один химический способ получения кислорода. Если нагревать оксид бария ВаО до 540СС, то он присоединяет атмосферный кислород с образованием пероксида бария ВаО2. Последний при нагревании до 870°С разлагается, и выделяется кислород:

2ВаО + О2 = 2ВаО2

2ВаО2 = 2ВаО + О2

Пероксид бария выполняет роль переносчика кислорода.

В прошлом столетии были разработаны установки для получения кислорода этим способом. Они включали в себя вертикально расположенные емкости, которые имели систему подогрева. Через нагретый до 400 — 500°С оксид бария пропускали ток воздуха. После образования пероксида бария подачу воздуха прекращали, а емкости нагревали до 750°С (температура разложения ВаО2).

С развитием техники получения низких температур был разработан физический способ получения кислорода из атмосферного воздуха. Он основан на глубоком охлаждении воздуха и использовании различия в температурах кипения газов, входящих в состав воздуха.

Жидкий воздух, получаемый в холодильных установках, представляет собой смесь, состоящую из 79% азота и 21 % кислорода по объему. Жидкий азот кипит при температуре — 195,8°С, а жидкий кислород — при температуре — 182,9°С. На разности температур кипения азота и кислорода основано их разделение. Для полного разделения жидкого кислорода и газообразного азота применяют многократное испарение жидкого воздуха, сопровождающееся конденсацией его паров. Этот процесс носит название фракционной перегонки или ректификации.         В настоящее время этот способ стал основным способом получения технического кислорода (дешевое сырье и большая производительность установок). Жидкий кислород хранят и перевозят в специально приспособленных для этого емкостях-цистернах и танках, снабженных хорошей теплоизоляцией.

Поскольку физический способ получения кислорода широко используют в промышленности, химические способы получения практически утратили свое техническое значение и служат для получения кислорода в лаборатории.

В связи с развивающимся научно-техническим прогрессом людей всего мира начинает тревожить судьба кислорода и загрязненность атмосферы. Во многих городах уже сейчас становится трудно дышать. По данным мировой статистики, все автомобили только за час работы выбрасывают в воздух до 600 тыс. т ядовитого оксида углерода СО. При сгорании 1 т бензина в автомашине образуется 600 кг оксида углерода СО. В настоящее время мировой автомобильный парк насчитывает 190 млн. машин. По прогнозам специалистов в 1980 г. их число превысит 200 млн. Эти цифры заставляют задуматься.

Отравление воздуха автомобильными выхлопными газами приняло угрожающий характер в таких городах, как, Токио, Лондон, Нью-Йорк, Париж, Рим, Москва. Кроме этого, атмосферу загрязняют и другие вредные газы (SO2, H2S), зола, дым, выбрасываемые многими предприятиями. В результате за последние 100 лет количество солнечных дней вокруг промышленных центров уменьшилось на четверть: там, где их было 200, стало 150. Во всех крупных городах мира в результате густых грязных туманов солнечное освещение уменьшилось по сравнению с началом XX в. на 10—30%. В Лондоне в 1952 г. за несколько дней, пока в воздухе стоял грязный и непригодный для дыхания туман, погибло около 4000 человек. Поэтому борьба за чистоту воздуха стала одной из актуальных проблем современной гигиены. 

Известно, что зеленые растения — непревзойденные очистители и санитары земной атмосферы. Фотосинтез — единственный процесс, который уже около 2 млрд. лет поддерживает круговорот кислорода в атмосфере Земли. Зеленые растения — это исполинская лаборатория, вырабатывающая кислород и поглощающая оксид углерода СО2. Ученые подсчитали, что растения земного шара ежегодно поглощают около 86,5 млрд. т оксида СО2. В связи с этим создание зеленых парков вокруг больших городов, устройство садов, разбивка скверов и цветников — составная часть современного градостроительства, столь же необходимая, как устройство водопровода и уличного освещения. Подсчитано, что в зоне зеленых насаждений Москвы, Ленинграда, Харькова запыленность воздуха в 2—3 раза меньше, чем на прилегающих улицах.

В течение последних  лет в России остро стоит проблема лесных пожаров. Тысячи гектаров лесных насаждений гибнут в огне. Я считаю, что если не будут приняты чрезвычайные меры  по тушению пожаров, восстановлению лесных массивов в ближайшее время нас ждет экологическая катастрофа. Горят заповедники, леса, гибнут уникальные растения, животные. В теплое время года города, села… окутаны дымом. Вредные вещества в большом количестве содержаться в воздухе, которым мы дышим. В связи, с чем возникают или обостряются различные хронические заболевания у людей, снижается иммунитет. Рождаются дети с врожденными пороками развития, иммунодефицитом, поражением центральной нервной системы…

Охрана природы, заповедников существует давно. Но вероятно, на данном этапе развития нашей страны этот вопрос остался на  последнем месте. Необходимо всем людям одуматься и бережно относиться к нашей природе. Ведь 95% всех лесных пожаров возникают по их вине.

VII. Применение кислорода.

Применение любых веществ связано с их физическими и химическими свойствами, а также распространением их в природе.

Количество металла, производимого на душу населения, является одной из мер уровня развития промышленности в каждой стране. Выплавка же черных и цветных металлов невозможна без кислорода.

Сейчас в нашей стране только черная металлургия поглощает свыше 60% получаемого кислорода. Но кислород используется еще и в цветной металлургии.

Кислород интенсифицирует не только пирометаллургические процессы, но и гидрометаллургические, где основной процесс извлечения металлов из руд или их концентратов основан на воздействии специальных реагентов на водные растворы. Так, в настоящее время основным способом извлечения золота из руд является цианирование. Оно позволяет извлекать из золотоносных руд до 95% золота и поэтому применяется даже при переработке руд с низким содержанием золота. Процесс растворения золота, содержащегося в рудах, очень трудоемкая операция. Оказалось, что растворение этого металла можно значительно ускорить, если вместо воздуха использовать чистый кислород. Золото в цианистых растворах образует комплексное соединение Na[Au(CN)2], которое далее обрабатывают цинком, и в результате выделяется золото:

4Аu + 8NaCN + 2H2O + O2 = 4Na [Au(CN)2] + 4NaOH

2Na [Аu(CN)2] + Zn = Na2 [Zn (CN)4] + 2Аu

Данный метод извлечения золота из руд был разработан русским инженером П. Р. Багратионом, родственником героя Отечественной войны 1812г.

Кислород находит широкое применение в химической промышленности. На нужды этой отрасли в нашей стране расходуется около 30% производимого кислорода. Замена воздуха на кислород в процессе производства серной кислоты контактным способом повышает производительность установки в пять-шесть раз. Но не только в этом заключается выгода от применения кислорода вместо воздуха. Чистый кислород позволяет получить 100-процентный оксид серы без проведения дополнительных трудоемких операций, которые необходимы при использовании воздуха в качестве окислителя.

При получении азотной кислоты способом каталитического окисления аммиака в качестве окислителя также используется кислород. Если содержание его в воздухе повысить до 25%, то производительность установки возрастает в два раза.