Кислород: состав молекулы, физические и химические свойства, аллотропия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кислород: состав молекулы, физические и химические свойства, аллотропия

Кислород относится к неметаллам VI-A подгруппы и находится во 2 периоде. Особенность строения атома кислорода состоит в том, что электроны внешнего уровня у него не имеют d-подуровня. Поэтому валентность кислорода равна двум (лишь за счет неподеленных электронных пар атом кислорода иногда образует дополнительную связь по донорно-акцепторному механизму.)Кислород уступающий фтору по электро отрицательности, имеет во фториде кислорода OF2 степень окисления +2, в пероксидах -1, а в остальных соединениях -2.

Молекула кислорода O2 состоит из двух атомов кислорода, связанных ковалентной неполярной связью.

Представление о наличии в молекуле кислорода двух ковалентных связей не соответствует, в частности, её магнитным свойствам (жидкий кислород притягивается магнитом), поэтому лучше не останавливаться на этом моменте. В высшей школе изучается метод Молекулярных орбиталей о наличии в молекуле кислорода двух неспаренных электронов.

Физические свойства.

Кислород - бесцветный прозрачный газ, без вкуса, без запаха. Немного тяжелее воздуха, сравнительно мало растворим в воде (в 1 литре воды при 20°C растворяется около 0,03 л кислорода).

Химические свойства:

Кислород -активный окислитель. Многие вещества взаимодействуют с кислородом с выделением теплоты и света. Такие реакции называются горением:

S + O2 = SO2 (образуется оксид серы (IV), или сернимстый газ)

C + O2 = CO2 (образуется оксид углерода (IV), или углекислый газ)

Горение в чистом кислороде происходит гораздо энергичнее, чем в воздухе, так как выделяющаяся теплота не тратится на нагревание азота воздуха. Температура горения в чистом кислороде значительно выше.

Галогены, золото и платина не соединяются с кислородом напрямую, но можно получить их оксиды, в которых они проявляют положительную степень окисления, например, оксид хлора (VII) Cl2O7.

Железо горит в кислороде с образованием железной окалины (представляет из себя смешанный оксид Fe+2O*Fe2+3O3):

3Fe + 2O2 = Fe3O4

кислород атом аллотропия

Пропитанные жидким кислородом угольный порошок, древесная мука и другие горючие материалы обладают взрывчатыми свойствами, используются при подрывных работах.

Распространение в природе.

Кислород- самый распространенный элемент, на его долю приходится 47,2 % литосферы и атмосферы, вместе взятых. Атомы кислорода составляют 55% от общего числа атомов всех элементов в литосфере, в воде его 88,89%. В воздухе кислорода 20, 9 об. %, он составляет химически активную часть атмосферы. Обнаружен кислород и в атмосферах других планет.

Биологическая роль.

Кислород входит в число четырех важнейших биогенных элементов (N, H, C, O). В сухой биомассе растений содержится в среднем 45% кислорода против 1,5 азота. Биологическое значение кислорода трудно переоценить. Только немногие низшие живые организмы (дрожжи, некоторые бактерии, называемые анаэробными) могут существовать при отсутствии кислорода. Теплокровные животные погибают без кислорода в течение нескольких минут. Как животные, так и растения при дыхании поглощают атмосферный кислород, а выделяют оксид углерода (IV).

Озон.

При пропускании через воздух электрических разрядов, или во время грозы кислород превращается в озон - аллотропное видоизменение, состоящее из трех атомов кислорода:

3O2 = 2O3

Аллотропия (от греч. alios - другой и tropos - способ, образ) - существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ (аллотропных модификаций), различных по строению и формам.

Кислород и озон - два простых вещества, отличающиеся по физическим и химическим свойствам. Но молекулы их состоят из атомов одного и того же элемента - кислорода. Кислород и озон - это аллотропические видоизменения элемента кислорода. Аллотропия наблюдается также у фосфора, серы, углерода. Причины ее могут быть различны. У кислорода она обусловлена свойством образовывать молекулы с разным числом атомов О2 и О3. В то же время различие свойств у кислорода и озона показывает, что молекула - не простая сумма атомов. Очевидно, изменение количественного состава молекул ведет к изменению качества вещества. Повсюду в природе количественные изменения приводят к качественным изменениям веществ.

Физические свойства озона.

Озон - газ, образуется в природе во время грозы и при окислении смолы хвойных деревьев. Придает воздуху запах свежести. Само название его означает «пахучий». Растворяется в воде гораздо лучше кислорода, в 100 объемах воды при 0 оС растворяется 49 объемов озона. При обычных условиях представляет собой голубоватый газ с сильным запахом. Очень токсичен. Озон в 1,5 раза тяжелее воздуха, при -112 оС превращается в темно-синюю жидкость, а при -251 оС затвердевает, образуя темно-фиолетовые кристаллы.

Получение озона.

Как правило, исходным веществом для получения озона выступает молекулярный кислород (O2), а сам процесс описывается уравнением 3O2 > 2O3. Эта реакция эндотермична и легко обратима. Для смещения равновесия в сторону целевого продукта (озона) применяются определенные меры.

Один из способов получения озона - использование дугового разряда. Термическая диссоциация молекул резко возрастает с ростом температуры. Так, при Т=3000К - содержание атомарного кислорода составляет ~10 %. Температуру в несколько тысяч градусов можно получить при помощи дугового разряда. Однако при высокой температуре озон разлагается быстрее молекулярного кислорода. Чтобы предотвратить это, можно сместить равновесие, сначала нагрев газ, а затем резко его охладив. Озон в данном случае-промежуточный продукт при переходе смеси O2+O к молекулярному кислороду.

Максимальная концентрация O3, которую можно получить при таком способе производства, достигает 1 %. Этого достаточно для большинства промышленных целей.

Химические свойства озона

Озон - мощный окислитель, намного более реакционноспособный по сравнению с двухатомным кислородом. Окисляет почти все металлы и многие неметаллы с образованием кислорода:

2 Cu2+(aq) + 2 H3 O + (aq) + O3(g) > 2 Cu3+(aq)+ 3 H2 O(1) + O2(g)

Спирт и некоторые другие вещества в озоне самовоспламеняются.

Озон может участвовать в реакциях горения, температура горения при этом выше, чем при горении в атмосфере двухатомного кислорода:

3 C 4 N 2 + 4 O 3 > 12 CO + 3 N 2

При низких температурах взаимодействует с молекулярным азотом:

O3+N2= N2O+O2^

Окислительная активность озона обусловлена нестойкостью его молекул, которые легко распадаются даже при обычной температуре с отщеплением атомарного кислорода:

O3= O2+O

Выделяющийся атомарный кислород значительно активнее молекулярного кислорода О2 Этим и объясняется более сильное окислительное действие озона. Однако, кислород не долго существует в атомарном состоянии, атомы его быстро объединяются в молекулы и тогда химическая активность понижается.

Применение озона.

Применяется в озонаторах для уменьшения содержания в воздухе болезнетворных бактерий, для обеззараживания водопроводной воды на станциях водоочистки.

Применение озона в сельском хозяйстве.

Озонирование -это экологически чистая технология очистки, основанная на использовании газа озона - сильного окислителя. Озонатор вырабатывает озон из кислорода, содержащегося в атмосферном воздухе. После взаимодействия с загрязняющими химическими и микробиологическими веществами озон превращается в обычный кислород. Практически доказано, что все продукты озонирования являются безвредными для человека.

Несомненный плюс метода: простота в применении и гарантированный результат. Для работы озонатора необходим только источник питания 220 Вт. Обработку помещений можно проводить в присутствии продукции при этом ее качество и внешний вид не изменяется. Время выдержки помещения после проведения дезинфекции до установления предельно допустимой концентрации дезинфицирующих веществ в воздухе рабочей зоны 2,5-3 часа, но его можно сократить, если произвести естественное проветривание или включить вытяжную вентиляцию.

По бактерицидному действию озонирование помещений превосходит действие ультрафиолетового кварцевого облучения. Бактерицидный эффект от кварцевого облучения в течение 60 минут идентичен бактерицидному эффекту от озонирования в течение 3 минут. При озонировании замкнутых помещений отмечено, что озон, концентрацией 5 мг/м3, оказывает бактерицидное действие на золотистый стафилококк, на возбудителей холеры, тифа, дизентерии, чумы. Озон обладает высокой проникающей способностью, а также проявляет бактерицидную активность в отношении грамположительной флоры, кишечной палочки, эпидермального стафилококка.

Озонирование успешно применяют в молочной промышленности для дезинфекции и дезодорации: производственных помещений, лабораторий; цехов созревания сыров; холодильных и морозильных камер; складов, хранилищ; поверхностей технологического оборудования; упаковочной тары; пастеризаторов, ванн и бидонов для сметаны, заквасочников; автомобильных цистерн; для санации исходного сырья и готовой продукции; ликвидации посторонних запахов (включая застарелые).

Благодаря полному контакту озона с источниками микробного заражения, резко снижается обсемененность микроорганизмами, в т. ч. плесени, в воздухе и на оборудовании. Благодаря экологическим свойствам озона, обработка может проводиться в цехах с открытым технологическим процессом.

Применение озонирования в холодильных камерах, во-первых, обеспечивает эффективную профилактику распространения бактериального заражения закладываемой продукции; во-вторых, безотказно решается всегда существующая проблема ликвидации запаха предшествующей продукции.

Озонирование также успешно применяется на птицефабриках: для дезинфекции инкубационных и пищевых яиц; для стимуляции эмбрионального развития при выводе молодняка; для санации воздуха птичников; для обеззараживания кормов, зерна; для дезинфекции в целях профилактики распространения бактериального заражения продукции; для ликвидации посторонних запахов (включая застарелые); для дезинфекции производственных помещений; для обработки транспортной тары; для дезинфекции морозильных камер.

Озонирование воды.

Озонирование воды основано на свойстве озона разлагаться в воде с образованием атомарного кислорода, разрушающего ферментные системы микробных клеток и окисляющего некоторые соединения, которые придают воде неприятный запах (например, гуминовые основания). Количество озона, необходимое для обеззараживания питьевой воды , зависит от степени загрязнения воды и составляет 1-6 мг/л при контакте в 8-15 мин; количество остаточного озона должно составлять не более 0,3-0,5 мг/л, т. к. более высокая доза придает воде специфический запах и вызывает коррозию водопроводных труб. С гигиенической точки зрения озонирование воды - один из лучших способов обеззараживания питьевой воды. При высокой степени обеззараживания воды оно обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде.

Однако в связи с большим расходом электроэнергии, использованием сложной аппаратуры и необходимостью высококвалифицированного обслуживания, озонирование нашло применение для обеззараживания питьевой воды только при централизованном водоснабжении.

Метод озонирования воды технически сложен и наиболее дорогостоящ. Технологический процесс включает последовательные стадии очистки воздуха, его охлаждения и осушки, синтеза озона, смешения озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой, отвода и деструкции остаточной озоновоздушной смеси, вывода ее в атмосферу. Все это требует также дополнительного вспомогательного оборудования (озонаторы, компрессоры, установки осушки воздуха, холодильные агрегаты и т. д.), объемных строительно-монтажных работ.

Озон токсичен. Предельно допустимое содержание этого газа в воздухе производственных помещений 0,1 г/м3. К тому же существует опасность взрыва озоновоздушной смеси

Озоновый слой в верхних слоях атмосферы (так называемый, озоновый экран, находящийся на высоте между 18 и 35 км в нижней части стратосферы) задерживает жесткое ультрафиолетовое излучение, без чего жизнь на поверхности суши была бы невозможна.

Применение кислорода.

Кислород необходим практически всем живым существам. Дыхание - это окислительно-восстановительный процесс, где кислород является окислителем. С помощью дыхания живые существа вырабатывают энергию, необходимую для поддержания жизни. К счастью, атмосфера Земли пока не испытывает заметного недостатка кислорода, но такая опасность может возникнуть в будущем.

Вне земной атмосферы человек вынужден брать с собой запас кислорода. Так же он применяется на подводных лодках. Точно так же полученный искусственно кислород используют для дыхания в любой чуждой среде, где приходится работать людям: в авиации при полетах на больших высотах, в пилотируемых космических аппаратах, при восхождении на высокие горные вершины, в экипировке пожарных, которым часто приходится действовать в задымленной и ядовитой атмосфере и т.д.

Во всех этих устройствах есть источники кислорода для автономного дыхания.

АВТОНОМНЫЙ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ - это аппарат, предназначенный для защиты человека от вредных веществ, содержащихся в воздухе. Имеет независимый от окружающей среды источник снабжения дыхательной смесью. Используют как одно из наиболее надежных средств индивидуальной защиты органов дыхания и зрения, кожи лица при ликвидации аварий на химически опасных объектах, при тушении пожара и проведении аварийно-спасательных работ. некоторые виды таких аппаратов (несколько упрощенные) используют для самоспасения (эвакуации). По принципу действия и конструктивному исполнению а. д. а. разделяются на аппараты с замкнутой схемой дыхания (кислородные изолирующие противогазы и самоспасатели) и аппараты с открытой схемой дыхания (аппараты со сжатым воздухом).

Но главными потребителями кислорода, конечно, являются энергетика, металлургия и химическая промышленность.

Электрические и тепловые станции, работающие на угле, нефти или природном газе используют атмосферный кислород для сжигания топлива. Если даже небольшой автомобиль является настоящим "пожирателем" кислорода, то гигантские тепловые и электрические станции расходуют кислорода неизмеримо больше. До сих пор они вырабатывают около 80 % всего электричества в нашей стране и только остальные 20 % электроэнергии дают гидростанции и атомные станции, не расходующие атмосферного кислорода.

Для металлургической и химической промышленности нужен уже не атмосферный, а чистый кислород. Ежегодно во всем мире получают свыше 80 млн. тонн кислорода. Для его производства требуется огромное количество электроэнергии, получение которой, как мы уже знаем, тоже связано с расходованием кислорода.

Чистый кислород расходуется главным образом на получение стали из чугуна и металлолома.

В машиностроении, в строительстве кислород используют для сварки и резки металлов. Горючий газ ацетилен, сгорая в токе кислорода, позволяет получить температуру выше 3000° С! Это приблизительно вдвое больше температуры плавления железа.

2 C2H2 + 5 O2= 4 CO2 + 2 H2O +теплота

Ацетилен. Кислородная резка металла.

Ацетиленовая горелка состоит из двух трубок, вставленных одна в другую. В одну трубку подается кислород, в другую - ацетилен, после чего смесь газов поджигается. Таким пламенем можно расплавить металлические детали в месте их соединения, то есть сварить их между собой.

Немного по-другому осуществляют резку металла. Если сначала сильно разогреть металл ацетиленовой горелкой, а затем уменьшить поток ацетилена и увеличить поток кислорода, то получается "кислородный резак". Железо, как мы знаем, горит в кислороде. Поэтому дальнейшее горение поддерживается уже без участия ацетилена, а струя кислорода прожигает металл, превращая его в оксиды железа. Сноп искр, вырывающихся из прожигаемого кислородом металла - это раскаленные частицы железной окалины.

В настоящее время по применению кислорода в медицине (оксигенотерапия) имеется обширная литература.

В медицине кислород используют для поддержания жизни больных с затрудненным дыханием и для лечения некоторых заболеваний. Однако чистым кислородом при нормальном давлении долго дышать нельзя - это опасно для здоровья.

Кислородная терапия (греч. therapeia лечение; синоним оксигенотерапия) - это применение кислорода с лечебной целью. Используется главным образом для лечения гипоксии при различных формах острой и хронической дыхательной недостаточности, реже для борьбы с раневой анаэробной инфекцией, для улучшения репаративных процессов и трофики тканей.

Физиологическое действие кислородной терапии многостороннее, но решающее значение в лечебном эффекте имеет возмещение дефицита кислорода в тканях при гипоксии. У больных с дыхательной недостаточностью при введении кислорода повышается его напряжение в альвеолярном воздухе и в плазме крови, в связи с чем меньше становится одышка, возрастает концентрация оксигемоглобина в артериальной крови, снижается метаболический ацидоз за счет уменьшения количества недоокисленных продуктов в тканях, падает содержание катехоламинов в крови, что сопровождается нормализацией АД и деятельности сердца.

Виды и способы кислородной терапии:

В зависимости от пути введения кислорода кислородную терапию разделяют на два основных вида: ингаляционную (легочную) и неингаляционную. Ингаляционная кислородной терапии включает все способы введения кислорода в легкие через дыхательные пути. Неингаляционная кислородная терапия объединяет все внелегочные способы введения кислорода - энтеральный, внутрисосудистый (в т.ч. с помощью мембранного оксигенатора), подкожный, внутриполостной, внутрисуставной, субконъюнктивальный, накожный (общие и местные кислородные ванны).

Отдельный вид кислородной терапии - гипербарическая оксигенация, объединяющая особенности ингаляционных и неингаляционных способов и являющаяся по существу самостоятельным методом лечения.

Используют кислород и для изготовления взрывчатых смесей - оксиликвитов при этом особые патроны набивают древесной мукой (или другими материалами) и смачивают жидким кислородом. Оксиликвиты находят применение в подрывных работах. Жидкий кислород незаменим в авиационной и ракетной технике.

Размещено на Allbest.ru