Строение и свойства кислорода. Получение кислорода

Задача 834.

Исходя из строения атома кислорода, указать его валентные возможности. Какие степени окисленности проявляет кислород в соединениях?

Решение:

Распределение электронов внешнего электронного уровня кислорода…2s²2p⁴ (учитывая правило Хунда, получим:  2s²2p_х²2р_у¹2р_z¹) по квантовым ячейкам имеет вид:

На валентном энергетическом уровне имеется два неспаренных электрона. Таким образом, на внешнем электронном слое атома кислорода содержится шесть электронов – два на s-подуровне и четыре на р-подуровне. Атом кислорода отличается от атомов элементов своей подгруппы тем, что у него отсутствует d-подуровень на внешнем энергетическом уровне. Такая электронная структура атома кислорода обуславливает большие энергетические затраты на «распаривание» его электронов, не компенсируемые энергией образования новых ковалентных связей. К тому же атому кислорода выгоднее присоединять электроны, чем отдавать. Поэтому ковалентность (валентность) кислорода, как правило, равна 2. По величине электроотрицательности кислород уступает только фтору, только в соединениях с атомом фтора степень окисления кислорода равна +2 (OF₂). В соединениях со всеми другими элементами степень окисления кислорода отрицательна и обычно равна -2, за исключением как в перооксидах, где степень окисления его равна -1 (Н₂О₂).

Задача 835. 
Указать лабораторные и промышленные способы получения кислорода, перечислить важнейшие области его практического применения.
Решение:

Лабораторные способы получения кислорода:

1). Электролиз водных растворов щелочей. При электролизе раствора щёлочи, например, едкого натра на катоде водород, а на аноде – кислород:

(4ОН^— = О₂↑ + 2Н₂О + 4 ).

2). Можно получить кислород при взаимодействии раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида водорода:

2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H2O + 5O₂↑

3). При термическом разложении некоторых кислородсодержащих веществ, например:

4). Каталитическое разложение пероксида водорода:

5). Взаимодействием пероксидов щелочных металлов с углекислым газом:

2К₂О₂ + 2СО₂ ↔ 2К₂СО₃ + O₂↑

Промышленные способы получения кислорода:

1). Сжижение воздуха при низких температурах и его дальнейшей фракционной перегонке. Вначале из жидкого воздуха отгоняют азот, затем углекислый газ, а в жидком состоянии остаётся почти чистый кислород. Объясняется это тем, что у кислорода более высокая температура кипения, чем у азота и углекислого газа.

2). Электролиз воды. Для этого проводят электролиз раствора КОН  на железном катоде и никелевом аноде, которые разделены асбестовой диффузной диафрагмой. На электродах происходят следующие процессы:

На катоде: 4Н₂О + 4  = 2Н₂↑+ 4ОН^—
На аноде: 4ОН^— + 4  = О₂↑ + 2Н₂О

Важнейшие области практического применения кислорода:

1). Получение высоких температур. Для чего различные газы (водород, ацетилен, «светильный газ» и т. д.) сжигают в специальных горелках.

2). Кислород используют в медицине при затруднении дыхания.

3). Кислород используют для интенсификации ряда важнейших производственных процессов в металлургической и химической промышленности, например, в доменном процессе, в производстве серной кислоты и других процессах.

4). Взрывчатые смеси. Применяемые при подрывных работах, так  называемые оксиликвиты, представляют собой смеси жидкого кислорода с угольным порошком, древесной мукой или другими горючими веществами.

5). Жидкий кислород применяют в ракетах, а также для приготовления дыхательных смесей.

Задача 836. 
Дать характеристику молекулярного кислорода О₂, указав: а) его химические свойства; б) строение молекулы по методу МО; в) магнитные свойства молекулы. С какими простыми веществами кислород непосредственно не взаимодействует?
Решение:
а) Химические свойства кислорода.
Кислород, обладая высокой электроотрицательностью, образует соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, аргона и неона. Скорость взаимодействия кислорода как с простыми, так и со сложными веществами зависит от природы вещества и от температуры в системе. Некоторые вещества, например, оксид азота (II), гемоглобин крови и др., уже при комнатной температуре соединяются со значительной скоростью. При применении катализаторов многие реакции с кислородом протекают со взрывом, например, в присутствии дисперсной платины смесь водорода и кислорода воспламеняется со взрывом при комнатной температуре:

2Н₂ + О₂ ↔  2Н₂О

В обычных условиях эта реакция протекает только при нагревании (смесь водорода с кислородом в отношении 2 : 1 взрывается от удара). Характерной особенностью реакций различных веществ с кислородом является то, что во внешнюю среду выделяется теплота и свет, т. е. наблюдается горение вещества. Реакция горения веществ встречается в природе, в промышленности, например, горение органических веществ (природный газ, торф, растительный покров и др.). При горении органических веществ всегда выделяется углекислый газ, вода, теплота и свет:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

Металлы и неметаллы при взаимодействии с кислородом образуют оксиды:

S + O₂ = SO₂;
4Na + O₂ = 2Na₂O.

В реакциях кислород проявляет свойства окислителя, т. е. свойства элемента, атомом которого присоединяет электроны от атомов других элементов, понижая при этом свою степень окисления, обычно от 0 до -2. В некоторых случаях, например при образовании пероксида водорода кислород проявляет свою степень окисления -1 (H₂⁺¹O₂^-1 ). Медленно протекающие реакции кислорода с органическими веществами называются тлением или окислением:

б) Строение молекулы кислорода по методу МО:

Энергетическая схема образования молекулярных орбиталей молекулы О₂ имеет вид:

Кратность связи (n) равна:

n = (6 -2)/2 = 2.

Кратность 2 указывает на наличие в молекуле О₂ двух ковалентных связей.

в) Наличие двух неспаренных электронов на π_у(разр.)  и π_z(разр.)  — орбиталях в молекуле О₂ указывает на парамагнитность молекулы – жидкий кислород притягивается магнитом. Кислород непосредственно не взаимодействует с галогенами (F₂, Cl₂, Br₂, I₂), золотом и платиной. С инертными газами, такими как гелий, неон и аргон кислород даже не образует соединения.