Кислород: химическая характеристика

С + О₂ = СО₂.

    Взаимодействие  кислорода с азотом начинается лишь при 1200°С или в электрическом разряде:

N₂ + О₂

2NО - Q.

        Кислород реагирует и со многими сложными соединениями, например, с оксидом азота (II) он реагирует уже при комнатной температуре:

2NО + О₂ = 2NО₂.

     При окислении сероводорода, при нагревании, образуется сера, или оксид серы (IV) в зависимости от соотношения между кислорода и сероводорода :

   2Н₂S + О₂ = 2S + 2Н₂О

                                                      2Н₂S + ЗО₂ = 2SО₂ + 2Н₂О

         В большинстве реакций окисления с участием кислорода выделяется тепло и свет - такие процессы называются горением.

                                                                

Озон          

                                                                                                                                                            

        Озон-O₃-вторая аллотропная модификация элемента кислорода. Молекула O₃  имеет угловое строение (угол между связями 116º, длинна связи О=О, l=0,1278нм) При н.у. это газ синего цвета. Жидкий озон- темно-синего цвета. Он ядовит и взрывчат особенно в жидком и твердом состоянии). Озон образуется в атмосфере при грозовых разрядах, и имеет специфический запах свежести.

        Обычно озон получают в озонаторах пропусканием тихого электрического разряда через кислород (реакция эндотермическая и сильно обратима; выход озона составляет 5%):

3О₂

2О₃ ΔН=-285 кДж.                                                                                                                               В лабораторных условиях озон получают при подкислении азотной кислотой персульфата

аммония:

(NH₄)₂S₂O₈→H₂S₂O₈+2NH₄⁺

H₂S₂O₈→2SO₂+O₃+H₂O                                                                               

     O₃ образуется с небольшим выходом в результате реакции:

3F₂+H₂O(г)→6HF+O₃

    O₃-сильнейший окислитель, окисляет все металлы ,( кроме золота и платиновых металлов) и большинство неметаллов. Он переводит низшие оксиды в высшие, а сульфиды металлов- в их сульфаты. В реакциях с участием  О₃ обычно образуется О₂, например:

    2Ag+O₃→Ag₂O+O₂

PbS+4O₃→PbSO₄+4O₂

NH₂+3O₃→HNO₂+H₂O

Pb(OH)₂+O₃→PbO₂+H₂O+O₂

        При воздействии O₃ на щелочные металлы можно получить озониды- неустойчивые соединения, которые разлагаются:

2KO₃→2KO₂+O₂

   Как сильный окислитель ,озон убивает бактерии и потому применяется для дезинфекции воздуха. Устойчивый слой озона находится в атмосфере на высоте~22км. Этот озоновый слой защищает Землю от губительного для жизни чистого ультрафиолетового излучения.

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

2КI + О₃ + Н₂О = I₂ + 2КОН + О₂.

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

   Вода 

        Физические и химические свойства воды: Чистая вода представляет собой бесцветную,  без вкуса, запаха, прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает.

        Вода-вещество привычное и необычное. Нет на земле вещества, более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в ее свойствах. 

        Почти ¾ поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твердой водой- снегом и льдом- покрыто 20% суши. От воды зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У нее очень большая теплоемкость. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдает его. Земная вода и поглощает и возвращает очень много тепла, тем самым выравнивает климат. От космического холода предохраняют Землю те молекулы, которые рассеяны в атмосфере- в облаках и в виде паров.

    Вода  по физическим свойствам существенно  отличается от других растворителей: При 4ºС вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается. Если бы при  понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое вода изменялась аналогично другим веществам, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охладилась бы до 0ºС и опускались на дно до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0ºС. Вода замерзала бы, льдины погружались на дно, и водоем промерзал бы на всю глубину. Многие формы жизни в воде были бы невозможны. В действительности охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от охлаждения.

    Вода  обладает аномально высокой теплоемкости (4,18 Дж/г∙К), поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к  зиме, вода остывает медленно. А днем, или при переходе от зимы к лету , так же медленно нагревается , являясь, таким образом регулятором температуры на земном шаре.

        Вода при обычном состоянии является жидкостью, в то время  как H₂S,H₂Se,H₂Te- газы. Температуры кристаллизации и испарения воды значительно выше соответствующих температур указанных соединений.

        Вода обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью (78.5 при 298К).

        Вода- хороший растворитель полярных жидкостей и соединений с ионными связями, образует кристаллогидраты со многими химическими соединениями.

        Долгое время необычные свойства воды были загадкой для ученых. Они в основном обусловлены следующими причинами:

    - полярный характер молекул;

    - наличие не поделенных электронных  пар у атома кислорода;

    - водородные связи.

        Связь между атомами водорода и кислорода полярная, что приводит к асимметрии в распределении электронных зарядов и, следовательно, к полярности молекулы. Длина связи составляет 96 нм, а угол между связями ~ 105º.

        Наличие неподеленных пар электронов  у кислорода и смещение обобществленных электронных пар от атомов водорода к кислороду обуславливают образование водородных связей. Энергия связи равна 25 кДж/моль. Атом кислорода в молекуле воды находится  в состоянии sp³-гибридизации. Поэтому валентный угол НОН близок к тетраэдическому углу (109,5º).

        Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкости оказывается более высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой фазе происходит ассоциация молекул, т.е. соединение их в более сложные агрегаты, вследствие образования между молекулами водородных связей.

        В твердой воде (лед)  атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды.

        Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы воды. При плавлении льда его структура разрушается, но и в жидкой фазе сохраняются водородные связи, образуются ассоциаты , однако они существуют короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды, при этом упаковка молекул воды становится плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем , занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает . При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв  водородных связей. Этим объясняется  высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар.

        На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездочном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

        Вода- весьма реакционноспособное вещество.

        Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

    2Na + 2H₂O = H₂ + 2NaOH (бурно)

    2K + 2H₂O = H₂ + 2KOH (бурно)

    3Fe + 4H₂O = 4H₂ + Fe₃O₄ (только при нагревании)

        Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы .

    Из  неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

C + H₂O ® H₂ + CO

CH₄ + 2H₂O ® 4H₂ + CO₂

    Вода  разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная  реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем:

    2H₂O

2H₂ + O₂

    Вода  реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

                                     P₂O₅+3H₂O→2H₃PO₄ ;                N₂O₅+H₂O→2HNO₃ 

    Оксиды щелочных и щелоочно-земельных металлов вступают в реакции соединения с водой с образованием соответствующих щелочей:

CaO+H₂O→Ca(OH)₂

        Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Это ZnO, TiO₂, Cr₂O₃, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней. Многие соединения металлов с неметаллами легко взаимодействуют с водой с образованием соответствующих гидроксидов металлов и водородных соединений неметаллов: 

PCl₃+3H₂O → H₃PO₃ + 3HCl

Al₂S₃+6H₂O→2Al(OH)₃+3H₂S

Ca₃P2+6H₂O→3Ca(OH)₂+2PH₃

Na₃N+3H₂O→3NaOH+NH₃

KH+H₂O→KOH+H₂

    Вода  образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом, например:

    CuSO₄+5 H₂O→CuSO₄^.5H₂O

    H₂SO₄ + H₂O = H₂SO₄^.H₂O (гидрат серной кислоты)

    NaOH + H₂O = NaOH^.H₂O (гидрат едкого натра)

    Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.

    Особая  реакция воды- фотосинтез – синтез растениями крахмала (C₆H₁₀O₅)_n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода: