Кисень: хімічні властивості елемента

Одним з найважливіших елементів на нашій планеті є кисень. Хімічні властивості цієї речовини дозволяють йому брати участь в біологічних процесах, а підвищена активність робить кисень впливовим учасником всіх відомих хімічних реакцій. У вільному стані ця речовина є в атмосфері. У зв'язаному стані кисень входить до складу мінералів, гірських порід, складних речовин, з яких складаються різні живі організми. Загальна кількість кисню на Землі оцінюється в 47% загальної маси нашої планети.

Позначення кисню

У періодичній системі кисень займає восьму клітинку таблиці. Його міжнародна назва oxigenium. У хімічних записах він позначається латинською літерою «О». У природному середовищі атомарний кисень не зустрічається, його частинки з'єднуються, утворюючи парні молекули газу, молекулярна маса якого дорівнює 32 г/моль.

Повітря і кисень

Повітря являє суміш декількох поширених на Землі газів. Найбільше в повітряній масі азоту - 782% за обсягом і 755 % по масі. Кисень займає лише друге місце за обсягом - 209%, а за масою - 232%. Третє місце закріплене за благородними газами. Решта домішки – вуглекислий газ, водяна пара, пил і інше – займають лише частки відсотка в загальній повітряній масі.




Вся маса природного кисню є сумішшю трьох ізотопів – 16 О, 17 О, 18 О. Процентне зміст цих ізотопів в загальній масі кисню одно 9976%, 004% та 02% відповідно.

Фізичні та хімічні властивості кисню

Один літр повітря при нормальних умовах важить 1293 р. При зниженні температури до -140?З повітря стає безбарвною прозорою рідиною. Незважаючи на низьку температуру кипіння повітря можна зберігати в рідкому стані навіть при кімнатній температурі. Для цього рідину потрібно помістити в так званий посудину Дьюара. Занурення в рідкий кисень докорінно змінює звичайні властивості предметів. Етиловий спирт і багато гази стають твердими предметами, ртуть набуває твердість і ковкість, а гумовий м'ячик втрачає свою пружність і розсипається при найменшому ударі.




Кисень розчиняється у воді, хоча і в невеликих кількостях – морська вода містить 3-5% кисню. Але навіть невелика кількість цього газу поклало початок існуванню риб, молюсків та різних морських організмів, які отримують кисень з води для підтримки процесів власного життєзабезпечення.

Будова атома кисню

Описані властивості кисню в першу чергу пояснюються внутрішньою будовою цього елемента. Кисень належить до головної підгрупи шостої групи елементів періодичної системи. У зовнішньому електронному хмарі елемента знаходяться шість електронів, чотири з яких займають p-орбіталі, а два останні розташовуються на s-орбіталях. Таке внутрішнє будова обумовлює великі енергетичні витрати, спрямовані на розривання електронних зв'язків – атому кисню простіше запозичувати два відсутніх електрона на зовнішню орбіталь, чим віддати свої шість. Тому ковалентность кисню у більшості випадків дорівнює двом. Завдяки двом вільним електронам кисень легко утворює двоатомні молекули, які характеризуються високою міцністю зв'язку. Лише при додається енергії понад 498 Дж/моль молекули розпадаються, і утворюється атомарний кисень. Хімічні властивості елементу дозволяють йому вступати в реакції з усіма відомими речовинами, виключаючи гелій, неон і аргон. Швидкість взаємодії залежить від температури реакції і від природи речовини.

Хімічні властивості кисню

З різними речовинами кисень вступає в реакції утворення оксидів, причому ці реакції характерні для металів, і для неметалів. З'єднання кисню з металами називають основними оксидами – класичним прикладом служить оксид магнію, оксид кальцію. Взаємодія оксидів металів з водою призводить до утворення гідроксидів, що підтверджують активні хімічні властивості кисню. З неметалами це речовина утворює кислотні оксиди – наприклад, триоксид сірки SO 3. При взаємодії цього елемента з водою виходить сірчана кислота.

Хімічна активність

З переважною більшістю елементів кисень взаємодіє безпосередньо. Виняток складають золото, галогени і платина. Взаємодія кисню з деякими речовинами значно прискорюється при наявності каталізаторів. Наприклад, суміш водню і кисню в присутності платини, що вступає в реакцію навіть при кімнатній температурі. З оглушливим вибухом суміш перетворюється в звичайну воду, важливою складовою частиною якої є кисень. Хімічні властивості та висока активність елемента пояснюють виділення великої кількості світла і тепла, тому хімічні реакції з киснем часто називаються горінням. Горіння в чистому кисні відбувається набагато інтенсивніше, ніж у повітрі, хоча кількість теплоти, що виділяється при реакції, буде приблизно однаковим, але процес через відсутність азоту протікає набагато швидше, а температура горіння стає вище.

Отримання кисню

У 1774 році англійський вчений Д. Прістлі виділив невідомий газ з реакції розкладання оксиду ртуті. Але вчений не пов'язав виділений газ з уже відомим речовиною, що входить до складу повітря. Лише кілька років тому великий Лавуазьє вивчив фізико-хімічні властивості кисню, отриманого в даній реакції, і довів його ідентичність з газом, що входять до складу повітря. У сучасному світі кисень одержують з повітря. В лабораторіях використовую промисловий кисень, який поставляється балонами під тиском близько 15 Мпа. Чистий кисень можна одержати і в лабораторних умовах, стандартним способом його отримання є термічне розкладання перманганату калію, яке протікає за формулою:

Отримання озону

Якщо через кисень або повітря пропустити струм, то в атмосфері з'явиться характерний запах, що передвіщає появу нової речовини – озону. Озон можна отримати і з хімічно чистого кисню. Утворення цієї речовини можна виразити формулою: 3О 2 = 2О 3 Ця реакція протікати самостійно не може – для її успішного завершення необхідна зовнішня енергія. Зате зворотне перетворення озону в кисень відбувається мимовільно. Хімічні властивості кисню й озону різняться в чому. Озон відрізняється від кисню щільністю, температурою плавлення і кипіння. При нормальних умовах цей газ має блакитний колір і володіє характерним запахом. Озон володіє більшою електропровідністю і краще розчиняється у воді, ніж кисень. Хімічні властивості озону пояснюються процесом його розпаду – при розкладанні молекули цієї речовини утворюється двухатомная молекула кисню плюс один вільний атом цього елемента, який агресивно реагує з іншими речовинами. Наприклад, відома реакція взаємодії озону і кисню: 6Ag+O 3 =3Ag 2 O А ось звичайний кисень не з'єднується з сріблом навіть при високій температурі. У природі активний розпад озону може спричинити утворення так званих озонових дір, які піддають загрозі життєві процеси на нашій планеті.