Кислород, его общая характеристика и нахождение в природе. Получение кислорода и его физические свойства

Наш урок посвящен химическому элементу, который занимает особое место в жизни человека и всего живого. Речь пойдет о кислороде. Вы познакомитесь с общей характеристикой химического элемента – кислорода по его положению в ПСХЭ, рассмотрим нахождение кислорода в природе, изучим способы получения кислорода и его физические свойства.

Также данный урок посвящен изучению истории открытия одного из самых известных неорганических веществ – кислорода. Из материалов урока вы узнаете, кому принадлежит приоритет открытия кислорода и кто дал название этом веществу.

Эпиграф урока

“Кислород — это вещество, вокруг которого вращается земная химия”.

Я. Берцелиус.

I. Познавательный фильм: “Кислород”

II. Общая характеристика кислорода как химического элемента по положению его в ПСХЭ

Кислород — элемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным порядковым номером 8.

Обозначается символом O (лат. Oxygenium).

Относительная атомная масса химического элемента кислорода равна 16, т.е. Ar(O)=16.

Относительная молекулярная масса равна 32, т.е. Мr(O2)=32.

III. Валентность кислорода, физические свойства

В соединениях кислород обычно двухвалентен (в оксидах), валентность VI не существует. В свободном виде встречается в виде двух простых веществ: О₂ («обычный» кислород) и О₃ (озон). О₂ — газ без цвета и запаха, с относительной молекулярной массой =32. О₃ – газ без цвета с резким запахом, с относительной молекулярной массой =48.

Температура кипения сжиженного кислорода -183 С, температура плавления твердого кислорода -219 С. Интересно, что кислород притягивается магнитом.

Кислород поддерживает дыхание и горение. Причем, если внести в сосуд с кислородом тлеющую лучинку, то она вспыхнет ярким пламенем.

Это интересно: “Какого цвета твердый кислород”

При температуре 90 K газ кислород превращается в бледно-голубую жидкость, а при температуре 54 K становится твёрдым. Но твёрдый кислород твёрдому кислороду рознь: в интервале давлений от 0 до приблизительно 130 гигапаскалей (1,3 млн атмосфер) кислород может существовать по крайней мере в шести модификациях (их обозначают греческими буквами γ, β, α, δ, ε и ζ). Эти модификации отличаются друг от друга кристаллической решёткой, магнитными и электрическими свойствами, а также цветом. Например, при давлении 5,4 гПа (это примерно в 52 тысячи раз выше атмосферного) твёрдый кислород имеет бледно-голубой цвет. При дальнейшем повышении давления (до 10 гПа) твёрдый кислород становится красным. Некоторые модификации твёрдого кислорода даже называют по их характерному цвету. Например, δ-O₂ называют оранжевым кислородом, а ε-O₂ — красным кислородом.

IV. Кислород в природе

Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 49% массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,5% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 21% по объёму и 23% по массе. Более 1500 соединений земной коры в своем составе содержат кислород.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 20 %, по массовой доле — около 65 %.

V. Открытие и получение кислорода

Открытие кислорода приходится на XVIII век. До этого времени считалось, что любой газ – это разновидность воздуха. Началом изучения газов послужило, казалось бы, незначительное изобретение. Английский ученый Гейлс предложил прибор для сбора газов. Заполненную водой колбу он опустил горлом вниз в сосуд с водой, в горло колбы поместил изогнутый ружейный ствол, по которому в колбу, вытесняя воду, поступали газы. Вот с этого прибора все и началось…

Приоритет открытия кислорода принадлежит англичанину Джозефу Пристли.В 1774 г. он обнаружил, что при разложении оксида ртути образуется газообразное вещество, в атмосфере которого тлеющая лучина вспыхивает ярким пламенем, а дышать этим газом особенно легко. Это был кислород. Уравнение реакции разложения оксида ртути:

2HgO = 2Hg + O2

Пристли поделился своим открытием с А.Лавуазье, и тот дал газу название «кислород».

Интересно, что еще до работ Дж. Пристли в 1771 г. опыты по разложению оксида ртути проделал шведский химик Карл Шееле. Но результаты его исследований были опубликованы только в 1775 г., поэтому Пристли о них ничего не знал.

Есть еще один интересный исторический факт. Оказывается голландский химик Корнелиус Дреббел примерно за 150 лет до Пристли и Шееле получил кислород при нагревании нитрата калия:

2KNO3 = 2KNO2 + O2

Он описал свойства полученного газообразного вещества: тлеющий уголек в нем вспыхивал, в атмосфере этого газа легко дышалось. Свое открытие ученый даже использовал на изобретенном им подводном судне. Однако в то время ученые не интересовались газами, и открытие Дреббела даже не заметили.

VI. Получение кислорода

Промышленный способ получения кислорода

В промышленных целях кислород необходимо получать в больших объёмах и максимально дешёвым способом. Такой способ получения кислорода был предложен лауреатом Нобелевской премии Петром Леонидовичем Капицей. Он изобрёл установку для сжижения воздуха. Как известно, в воздухе находится около 21% по объему кислорода. Кислород можно выделить из жидкого воздуха методом перегонки, т.к. все вещества, входящие в состав воздуха имеют разные температуры кипения. Температура кипения кислорода - -183°С, а азота - -196°С. Значит, при перегонке сжиженного воздуха первым закипит и испарится азот, а затем – кислород.

Лабораторные способы получения кислорода

В лаборатории кислород требуется не в таких больших количествах, как в промышленности. Обычно его привозят в голубых стальных баллонах, в которых он находится под давлением. В некоторых случаях всё же требуется получить кислород химическим путём. Для этого используют реакции разложения.

1. Разложение пероксида водорода

При комнатной температуре пероксид водорода разлагается медленно (признаков протекания реакции мы не видим), но этот процесс можно ускорить, если добавить в раствор несколько крупинок оксида марганца(IV). Вокруг крупинок черного оксида сразу начинают выделяться пузырьки газа. Это кислород. Как бы долго ни протекала реакция, крупинки оксида марганца(IV) в растворе не растворяются. То есть, оксид марганца(IV) участвует в реакции, ее ускоряет, но сам в ней не расходуется.

Вещества, которые ускоряют реакцию, но не расходуются в реакции, называют катализаторами.

Реакции, ускоряемые катализаторами, называют каталитическими.

Ускорение реакции катализатором называют катализом.

Таким образом, оксид марганца (IV) в реакции разложения пероксида водорода служит катализатором. В уравнении реакции формула катализатора записывается сверху над знаком равенства. Запишем уравнение проведенной реакции. При разложении пероксида водорода выделяется кислород и образуется вода. Выделение кислорода из раствора показывают стрелкой, направленной вверх:

2. Разложение перманганата калия

В повседневной жизни вы наверняка сталкивались с веществом, которое в быту называется «марганцовкой». Химическое название этого вещества - перманганат калия, его химическая формула KMnO4.

При нагревании перманганат калия разлагается с образованием кислорода.

В пробирку насыпают кристаллический перманганат калия. При нагревании перманганат калия разлагается, выделяющийся кислород поступает по газоотводной трубке в колбу-приемник. Кислород тяжелее воздуха, поэтому не покидает колбу и постепенно заполняет ее. Если опустить тлеющую лучину в колбу с собранным кислородом, то она ярко вспыхнет.

Уравнение проведенной реакции:

2 KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 ↑

3. Разложение бертолетовой соли

Для получения кислорода к бертолетовой соли всегда примешивают оксид марганца МпО2 или другое вещество, каталитически ускоряющее процесс разложения. Если нагревать более или менее значительные количества чистой соли, то на поверхности расплава может образоваться корка тугоплавкого хлорида калия, под которой скопляется кислород, в результате чего происходит взрыв. В присутствии оксида марганца MnO₂ бертолетова соль начинает разлагаться раньше, чем она расплавится (около 200 ºС).

2KClO3 t˚C , MnO2=2KCl + 3O2↑

Это интересно

Бертолетова соль KClO₃ (хлорноватокислый калий, хлорат калия) — одна из самых известных солей. Это сильный окислитель; при подогревании, толчках, растирании бертолетовой соли со многими соединениями происходит воспламенение или взрыв. Именно поэтому бертолетову соль используют при производстве спичек, взрывчатых веществ, в пиротехнике и т. п. Обращаться с этой солью нужно осторожно: она не только взрывоопасна, но и ядовита. Она может связываться с гемоглобином крови и таким образом лишать его способности переносить кислород.