Формула кисню. Періодична таблиця Менделєєва - кисень

Хімічний елемент кисень знаходиться у другому періоді VI-ої головної групи застарілого короткого варіанту періодичної таблиці. За новими стандартами нумерації - це 16-я група. Відповідне рішення прийнято ІЮПАК в 1988 році. Формула кисню як простого речовини - Про₂. Розглянемо його основні властивості, роль у природі та господарстві. Почнемо з характеристики всієї групи періодичної системи, яку очолює кисень. Елемент відрізняється від споріднених йому халькогенів, а вода відрізняється від водневих сполук сірки, селену і телуру. Пояснення всім відмінних рис можна знайти, тільки дізнавшись про будову і властивості атома.

Халькоген - споріднені кисню елементи

Подібні за властивостями атоми утворюють одну групу в періодичній системі. Кисень очолює сімейство халькогенів, але відрізняється від них по ряду властивостей.

Атомна маса кисню - родоначальника групи - становить 16 а. е. м. халькоген при утворенні сполук з воднем і металами проявляють свою звичайну ступінь окислення: -2. Наприклад, у складі води (Н₂О) окислительное число кисню одно -2.

Склад типових водневих з`єднань халькогенів відповідає загальній формулі: Н<sub>2</sub>R. При розчиненні цих речовин утворюються кислоти. Тільки водневе з`єднання кисню - вода - має особливі властивості. Згідно з висновками вчених, це незвичайне речовина є і дуже слабкою кислотою, і дуже слабкою основою.

Сірка, селен і телур мають типові позитивні ступені окислення (+4, +6) у з`єднаннях з киснем та іншими неметалами, що володіють високою електронегативність (ЕО). Склад оксидів халькогенів відображають загальні формули: RO₂, RO₃. Відповідні їм кислоти мають склад: H₂RO₃, H₂RO₄.

Елементам відповідають прості речовини: кисень, сірка, селен, телур і полоній. Перші три представники проявляють неметалічні властивості. Формула кисню - О₂. Аллотропной видозміна того ж елемента - озон (О₃₎. Обидві модифікації є газами. Сірка і селен - тверді неметали. Телур - металлоидной речовина, провідник електричного струму, полоній - метал.

Кисень - найпоширеніший елемент

Загальний вміст атомів елемента в земній корі становить приблизно 47% (по вазі). Кисень зустрічається як у вільному вигляді, так і в складі численних з`єднань. Проста речовина, формула якого Про₂, знаходиться у складі атмосфери, складаючи 21% повітря (за обсягом). Молекулярний кисень розчинений у воді, знаходиться між частинками грунту.

Ми вже знаємо, що є інший різновид існування того ж самого хімічного елемента у формі простого речовини. Це озон - газ, який утворює на висоті близько 30 км від поверхні землі шар, який часто називають озоновим екраном. Зв`язаний кисень входить до молекули води, до складу багатьох гірських порід та мінералів, органічних сполук.

Будова атома кисню

Періодична таблиця Менделєєва містить повну інформацію про кисень:

1. Порядковий номер елемента - 8.
2. Заряд ядра - +8.
3. Загальне число електронів - 8.
4. Електронна формула кисню - 1s²2s²2p⁴.

У природі зустрічаються три стабільних ізотопу, які мають однаковий порядковий номер у таблиці Менделєєва, ідентичний складу протонів і електронів, але різне число нейтронів. Позначаються ізотопи одним і тим же символом - О. Для порівняння наведемо схему, яка відображатиме склад трьох ізотопів кисню:

Властивості кисню - хімічного елемента

На 2р-підрівні атома є два неспарених електрона, що пояснює появу ступенів окислення -2 і +2. Два спарених електрона не можуть роз`єднатися, щоб ступінь окислення зросла до +4, як у сірки та інших халькогенів. Причина - відсутність вільного підрівня. Тому в з`єднаннях хімічний елемент кисень не проявляє валентність і ступінь окиснення, рівні номеру групи в короткому варіанті періодичної системи (6). Звичайне для нього окислительное число дорівнює -2.

Тільки в з`єднаннях з фтором кисень проявляє нехарактерну для нього позитивну ступінь окислення +2. Значення ЕО двох сильних неметалів відрізняється: ЕО (О) = 3,5- ЕО (F) = 4. Як більш електронегативний хімічний елемент, фтор сильніше утримує свої електрони і притягує валентні частки на зовнішньому енергетичному рівні атома кисню. Тому в реакції з фтором кисень є відновником, віддає електрони.

Кисень - проста речовина

Англійський дослідник Д. Прістлі в 1774 році в ході дослідів виділив газ при розкладанні оксиду ртуті. Двома роками раніше ця ж речовина в чистому вигляді отримав К. Шеєле. Лише через кілька років французький хімік А. Лавуазьє встановив, що за газ входить до складу повітря, вивчив властивості. Хімічна формула кисню - О₂. Відобразимо в записі складу речовини електрони, що беруть участь в утворенні неполярной ковалентного зв`язку - О :: О. Замінимо кожну зв`язує електронну пару однією рисою: О = О. Така формула кисню наочно показує, що атоми в молекулі зв`язані між двома загальними парами електронів.

Виконаємо нескладні розрахунки і визначимо, чому дорівнює відносна молекулярна маса кисню: Mr (O₂) = Ar (O) х 2 = 16 х 2 = 32. Для порівняння: Mr (пов.) = 29. Хімічна формула кисню відрізняється від формули озону на один атом кисню. Значить, Mr (O₃) = Ar (O) х 3 = 48. Озон в 1,5 рази важче кисню.

Фізичні властивості

Кисень - це газ без кольору, смаку і запаху (при звичайній температурі і тиску, рівному атмосферному). Речовина трохи важче повітря-розчиняється у воді, але в невеликих кількостях. Температура плавлення кисню є негативною величиною і становить -218,3 ° C. Точка, в якій рідкий кисень знову перетворюється в газоподібний, - це його температура кипіння. Для молекул Про₂ значення цієї фізичної величини досягає -182,96 ° C. У рідкому і твердому стані кисень набуває світло-синє забарвлення.

Отримання кисню в лабораторії

При нагріванні кисневмісних речовин, наприклад перманганату калію, виділяється безбарвний газ, який можна зібрати в колбу або пробірку. Якщо внести в чистий кисень запалену лучину, то вона горить більш яскраво, ніж у повітрі. Два інших лабораторних способу отримання кисню - розкладання пероксиду водню і хлората калію (бертолетової солі). Розглянемо схему приладу, який застосовується для термічного розкладання.

У пробірку або круглодонную колбу треба насипати трохи бертолетової солі, закрити пробкою з газовідвідною трубочкою. Її протилежний кінець слід направити (під водою) в перекинуту догори дном колбу. Горлечко повинно бути опущено в широкий стакан або кристалізатор, наповнений водою. При нагріванні пробірки з бертолетової сіллю виділяється кисень. За газоотводной трубці він надходить в колбу, витісняючи з неї воду. Коли колба наповниться газом, її закривають під водою пробкою і перевертають. Отриманий в цьому лабораторному досвіді кисень можна використовувати для вивчення хімічних властивостей простої речовини.

Горіння

Якщо в лабораторії проводиться спалювання речовин в кисні, то потрібно знати і дотримуватися протипожежні правила. Водень миттєво згоряє в повітрі, а змішаний з киснем у співвідношенні 2: 1, він вибухонебезпечний. Горіння речовин в чистому кисні відбувається набагато інтенсивніше, ніж у повітрі. Пояснюється це явище складом повітря. Кисень в атмосфері складає трохи більше 1/5 частини (21%). Горіння - це реакція речовин з киснем, в результаті якої утворюються різні продукти, в основному оксиди металів і неметалів. Пожежонебезпечні суміші Про₂ з горючими речовинами, крім того, отримані сполуки можуть бути токсичними.

Горіння звичайної свічки (або сірники) супроводжується утворенням діоксиду вуглецю. Наступний досвід можна провести в домашніх умовах. Якщо спалювати речовина під скляною банкою або великим стаканом, то горіння припиниться, як тільки витратиться весь кисень. Азот не підтримує дихання і горіння. Вуглекислий газ - продукт окислення - більше не вступає в реакцію з киснем. Прозора вапняна вода дозволяє виявити присутність діоксиду вуглецю після горіння свічки. Якщо пропускати продукти горіння через гідроксид кальцію, то розчин мутніє. Відбувається хімічна реакція між вапнякової водою і вуглекислим газом, виходить нерозчинний карбонат кальцію.

Отримання кисню в промислових масштабах

Найдешевший процес, в результаті якого виходять вільні від повітря молекули Про₂, не пов`язаний з проведенням хімічних реакцій. У промисловості, скажімо, на металургійних комбінатах, повітря при низькій температурі і високому тиску зріджують. Такі найважливіші компоненти атмосфери, як азот і кисень, киплять при різних температурах. Поділяють повітряну суміш при поступовому нагріванні до звичайної температури. Спочатку виділяються молекули азоту, потім кисню. Спосіб поділу заснований на різних фізичних властивостях простих речовин. Формула простої речовини кисню така ж, як була до охолодження і зрідження повітря, - О₂.

В результаті деяких реакцій електролізу теж виділяється кисень, його збирають над відповідним електродом. Газ потрібен промисловим, будівельним підприємствам у великих обсягах. Потреби в кисні постійно зростають, особливо має потребу в ньому хімічна промисловість. Зберігають отриманий газ для виробничих і медичних цілей в сталевих балонах, забезпечених маркуванням. Ємності з киснем фарбують у синій або блакитний колір, щоб відрізняти від інших зріджених газів - азоту, метану, аміаку.

Хімічні розрахунки за формулою і рівнянням реакцій за участю молекул Про₂

Чисельне значення молярної маси кисню збігається з іншою величиною - відносною молекулярною масою. Тільки в першому випадку присутні одиниці виміру. Коротко формула речовини кисню і його молярної маси повинна бути записана так: М (О₂) = 32 г / моль. При нормальних умовах молю будь-якого газу відповідає обсяг 22,4 л. Значить, 1 моль Про₂ - це 22,4 л речовини, 2 моль Про₂ - 44,8 л. За рівняння реакції між киснем і воднем можна помітити, що взаємодіють 2 благаючи водню і 1 моль кисню:

Якщо в реакції бере участь 1 моль водню, то об`єм кисню складе 0,5 моль • 22,4 л / моль = 11,2 л.

Роль молекул Про₂ в природі та житті людини

Кисень споживається живими організмами на Землі і бере участь у кругообігу речовин понад 3 млрд років. Це головне речовина для дихання і метаболізму, з його допомогою відбувається розкладання молекул поживних речовин, синтезується необхідна для організмів енергія. Кисень постійно витрачається на Землі, але його запаси поповнюються завдяки фотосинтезу. Російський учений К. Тімірязєв вважав, що завдяки саме цьому процесу досі існує життя на нашій планеті.

Велика роль кисню в природі і господарстві:

• поглинається в процесі дихання живими організмамі;
• бере участь у реакціях фотосинтезу в растеніях;
• входить до складу органічних молекул;
• процеси гниття, бродіння, іржавіння протікають за участю кисню, що виступає в якості окіслітеля;
• використовується для отримання цінних продуктів органічного синтезу.

Зріджений кисень в балонах використовують для різання і зварювання металів при високих температурах. Ці процеси проводять на машинобудівних заводах, на транспортних і будівельних підприємствах. Для проведення робіт під водою, під землею, на великій висоті в безповітряному просторі люди теж потребують молекулах Про₂. Кисневі подушки застосовуються в медицині для збагачення складу повітря, що вдихається хворими людьми. Газ для медичних цілей відрізняється від технічного практично повною відсутністю сторонніх домішок, запаху.

Кисень - ідеальний окислювач

Відомі сполуки кисню з усіма хімічними елементами таблиці Менделєєва, крім перших представників сімейства благородних газів. Багато речовин безпосередньо вступають в реакції з атомами О, виключаючи галогени, золото і платину. Велике значення мають явища за участю кисню, які супроводжуються виділенням світла і тепла. Такі процеси широко використовуються в побуті, промисловості. У металургії взаємодія руд з киснем називають випалюванням. Попередньо подрібнену руду змішують з повітрям, збагаченим киснем. При високих температурах відбувається відновлення металів з сульфідів до простих речовин. Так отримують залізо і деякі кольорові метали. Присутність чистого кисню підвищує швидкість технологічних процесів в різних галузях хімії, техніці та металургії.

Поява дешевого способу отримання кисню з повітря методом поділу на компоненти при низькій температурі стимулювало розвиток багатьох напрямків промислового виробництва. Хіміки вважають молекули Про₂ і атоми Про ідеальними окисними агентами. Це природні матеріали, вони постійно поновлюються в природі, не забруднюють навколишнє середовище. Крім того, хімічні реакції за участю кисню найчастіше завершуються синтезом ще одного натурального і безпечного продукту - води. Велика роль Про₂ у знешкодженні токсичних виробничих відходів, очищення води від забруднень. Крім кисню, для знезараження використовується його аллотропная модифікація - озон. Це проста речовина володіє високою окисної активністю. При озонуванні води розкладаються забруднюючі речовини. Озон також згубно діє на хвороботворну мікрофлору.