Hemijski element kiseonik nalazi se u drugom periodu VI-te glavne grupe zastarele kratke verzije periodnog sistema. Prema novim standardima numeracije, ovo je 16. grupa. Odgovarajuću odluku donio je IUPAC 1988. Formula za kiseonik kao jednostavnu supstancu je O2. Razmotrite njegova glavna svojstva, ulogu u prirodi i ekonomiji. Počnimo sa karakteristikama čitave grupe periodnog sistema, na čijem čelu je kiseonik. Element se razlikuje od srodnih halkogena, a voda se razlikuje od vodikovih spojeva sumpora, selena i telura. Objašnjenje svih karakterističnih karakteristika može se pronaći samo učenjem o strukturi i svojstvima atoma.
Halkogeni su elementi povezani sa kiseonikom
Atomi sa sličnim svojstvima čine jednu grupu u periodičnom sistemu. Kiseonik prednjači u porodici halkogena, ali se razlikuje od njih po brojnim svojstvima.
Atomska masa kiseonika - pretka grupe - je 16 a.u. e. m. Halkogeni u formiranju jedinjenja sa vodonikom i metalima pokazuju svoje uobičajeneoksidaciono stanje: -2. Na primjer, u sastavu vode (N2O), oksidacijski broj kiseonika je –2.
Sastav tipičnih vodoničnih jedinjenja halkogena odgovara opštoj formuli: H2R. Kada se ove tvari otapaju, nastaju kiseline. Samo vodonično jedinjenje kiseonika - voda - ima posebna svojstva. Prema naučnicima, ova neobična supstanca je i veoma slaba kiselina i veoma slaba baza.
Sumpor, selen i telur imaju tipična pozitivna oksidaciona stanja (+4, +6) u jedinjenjima sa kiseonikom i drugim nemetalima visoke elektronegativnosti (EO). Sastav halkogen oksida odražava opšte formule: RO2, RO3. Njihove odgovarajuće kiseline imaju sastav: H2RO3, H2RO 4.
Elementi odgovaraju jednostavnim supstancama: kiseonik, sumpor, selen, telur i polonijum. Prva tri predstavnika pokazuju nemetalna svojstva. Formula za kiseonik je O2. Alotropska modifikacija istog elementa je ozon (O3). Obje modifikacije su plinovi. Sumpor i selen su čvrsti nemetali. Telur je metaloidna supstanca, provodnik električne struje, polonijum je metal.
Kiseonik je najzastupljeniji element
Ukupni atomski sadržaj elementa u zemljinoj kori je približno 47% (po težini). Kiseonik se javlja i u slobodnom obliku i u sastavu brojnih jedinjenja. Jednostavna supstanca, čija je formula O2, nalazi se u atmosferi i čini 21% vazduha (po zapremini). Molekularni kiseonik je otopljen u vodi, smešten između čestica tla.
Već znamo da postoji još jedna vrsta postojanja istog hemijskog elementa u obliku jednostavne supstance. Ovo je ozon - plin koji formira sloj na visini od oko 30 km od površine zemlje, koji se često naziva ozonskim ekranom. Vezani kiseonik je uključen u molekule vode, u sastav mnogih stena i minerala, organskih jedinjenja.
Struktura atoma kiseonika
Periodični sistem sadrži kompletne informacije o kiseoniku:
- Serijski broj elementa je 8.
- Punjenje jezgra - +8.
- Ukupan broj elektrona je 8.
- Elektronska formula kiseonika je 1s22s22p4.
U prirodi postoje tri stabilna izotopa koji imaju isti serijski broj u periodnom sistemu, identičan sastav protona i elektrona, ali različit broj neutrona. Izotopi su označeni istim simbolom - O. Za poređenje, predstavljamo dijagram koji odražava sastav tri izotopa kiseonika:
Svojstva kiseonika - hemijskog elementa
Na 2p-podnivou atoma postoje dva nesparena elektrona, što objašnjava pojavu oksidacionih stanja –2 i +2. Dva uparena elektrona ne mogu se razdvojiti kako bi se oksidacijsko stanje povećalo na +4, kao kod sumpora i drugih halkogena. Razlog je nedostatak slobodnog podnivoa. Stoga, u jedinjenjima, hemijski element kiseonik ne pokazuje valenciju i stepenoksidacije jednake broju grupe u kratkoj verziji periodnog sistema (6). Njegov uobičajeni oksidacijski broj je -2.
Samo u jedinjenjima sa fluorom, kiseonik pokazuje nekarakteristično pozitivno oksidaciono stanje +2. EO vrijednost dva jaka nemetala je različita: EO(O)=3,5; EO (F)=4. Kao elektronegativniji hemijski element, fluor jače drži svoje elektrone i privlači valentne čestice na vanjskom energetskom nivou atoma kisika. Dakle, u reakciji sa fluorom, kiseonik je redukcioni agens, on donira elektrone.
Kisik je jednostavna supstanca
Engleski istraživač D. Priestley je 1774. godine tokom eksperimenata oslobodio plin tokom razgradnje živinog oksida. Dvije godine ranije, K. Scheele je dobio istu supstancu u čistom obliku. Samo nekoliko godina kasnije, francuski hemičar A. Lavoisier je ustanovio kakav je gas deo vazduha, proučavao svojstva. Hemijska formula za kiseonik je O2. Odrazimo u zapisu o sastavu supstance elektrone koji učestvuju u formiranju nepolarne kovalentne veze - O::O. Zamenimo svaki vezni elektronski par jednom linijom: O=O. Ova formula kiseonika jasno pokazuje da su atomi u molekuli povezani između dva zajednička para elektrona.
Izvršimo jednostavne proračune i odredimo koja je relativna molekulska težina kiseonika: Mr(O2)=Ar(O) x 2=16 x 2=32. Za poređenje: Mr(vazduh)=29. Hemijska formula kiseonika razlikuje se od formule ozona za jedan atom kiseonika. Dakle Mr(O3)=Ar(O) x 3=48. Ozon je 1,5 puta teži od kiseonika.
Fizička svojstva
Kiseonik je gas bez boje, ukusa i mirisa (pri normalnoj temperaturi i atmosferskom pritisku). Supstanca je nešto teža od vazduha; rastvorljiv u vodi, ali u malim količinama. Tačka topljenja kiseonika je negativna i iznosi –218,3 °C. Tačka u kojoj se tečni kiseonik ponovo pretvara u gasoviti kiseonik je njegova tačka ključanja. Za O2 molekule, vrijednost ove fizičke veličine dostiže –182,96 °C. U tečnom i čvrstom stanju kiseonik dobija svetloplavu boju.
Proizvodnja kiseonika u laboratoriji
Kada se supstance koje sadrže kiseonik, kao što je kalijum permanganat, zagrevaju, oslobađa se bezbojni gas koji se može prikupiti u tikvici ili epruveti. Ako upaljenu baklju unesete u čisti kiseonik, ona gori jače nego u vazduhu. Dvije druge laboratorijske metode za dobivanje kisika su razgradnja vodikovog peroksida i kalijum hlorata (bertolet soli). Razmotrite šemu uređaja koji se koristi za termičku razgradnju.
U epruvetu ili tikvicu sa okruglim dnom sipajte malo bertoletove soli, zatvorite čepom sa cevi za odvod gasa. Njegov suprotni kraj treba da bude usmjeren (pod vodom) u bocu okrenutu naopako. Vrat treba spustiti u široku čašu ili kristalizator napunjen vodom. Kada se epruveta s Bertholletovom soli zagrije, oslobađa se kisik. Ulazi kroz ventilacionu cijev utikvicu, istiskujući vodu iz nje. Kada se tikvica napuni gasom, zatvara se pod vodom čepom i okreće se. Kiseonik dobijen u ovom laboratorijskom eksperimentu može se koristiti za proučavanje hemijskih svojstava jednostavne supstance.
Sagorevanje
Ako laboratorij sagoreva supstance u kiseoniku, onda morate znati i pridržavati se pravila o požaru. Vodonik trenutno sagorijeva u zraku, a pomiješan sa kisikom u omjeru 2:1, eksplozivan je. Sagorijevanje tvari u čistom kisiku je mnogo intenzivnije nego u zraku. Ovaj fenomen se objašnjava sastavom vazduha. Kiseonik u atmosferi je nešto više od 1/5 dijela (21%). Sagorijevanje je reakcija tvari s kisikom, uslijed čega nastaju različiti proizvodi, uglavnom oksidi metala i nemetala. Smjese O2 sa zapaljivim supstancama su zapaljive, osim toga, rezultirajuća jedinjenja mogu biti toksična.
Sagorevanje obične svijeće (ili šibice) je praćeno stvaranjem ugljičnog dioksida. Sljedeće iskustvo možete izvesti kod kuće. Ako spalite neku supstancu ispod staklene posude ili velike čaše, onda će sagorevanje prestati čim se potroši sav kiseonik. Dušik ne podržava disanje i sagorevanje. Ugljični dioksid, proizvod oksidacije, više ne reagira s kisikom. Čista vapnena voda omogućava otkrivanje prisutnosti ugljičnog dioksida nakon gorenja svijeće. Ako se produkti sagorevanja propuštaju kroz kalcijum hidroksid, rastvor postaje mutan. Hemijska reakcija se odvija između krečne vode i ugljičnog dioksida, što rezultira nerastvorljivim kalcijum karbonatom.
Proizvodnja kiseonika u industrijskoj skali
Najjeftiniji proces, koji rezultira bezzračnim O2 molekulima, ne uključuje hemijske reakcije. U industriji, recimo, u metalurškim postrojenjima, vazduh se ukapljuje na niskoj temperaturi i visokom pritisku. Najvažnije komponente atmosfere, kao što su dušik i kisik, ključaju na različitim temperaturama. Odvojite mješavinu zraka uz postepeno zagrijavanje do normalne temperature. Prvo se oslobađaju molekuli dušika, a zatim kisik. Metoda razdvajanja temelji se na različitim fizičkim svojstvima jednostavnih supstanci. Formula za jednostavnu supstancu kiseonika je ista kao što je bila pre hlađenja i ukapljivanja vazduha, - O2.
Kao rezultat nekih reakcija elektrolize, oslobađa se i kiseonik koji se skuplja preko odgovarajuće elektrode. Plin je potreban industrijskim i građevinskim preduzećima u velikim količinama. Potražnja za kiseonikom stalno raste, posebno u hemijskoj industriji. Nastali plin se skladišti za industrijske i medicinske svrhe u čeličnim bocama opremljenim oznakama. Spremnici za kiseonik su obojeni plavom ili plavom bojom kako bi se razlikovali od drugih tečnih gasova - azota, metana, amonijaka.
Kemijski proračuni koristeći formulu i jednadžbe reakcija koje uključuju molekule O2
Numerička vrijednost molarne mase kisika poklapa se s drugom vrijednošću - relativnom molekulskom težinom. Samo u prvom slučaju postoje jedinicemjerenja. Ukratko, formulu za supstancu kiseonika i njegovu molarnu masu treba napisati na sledeći način: M(O2)=32 g/mol. U normalnim uslovima, mol bilo kog gasa odgovara zapremini od 22,4 litara. Dakle, 1 mol O2 je 22,4 litara supstance, 2 mol O2 je 44,8 litara. Prema jednadžbi reakcije između kisika i vodonika, možete vidjeti da 2 mola vodika i 1 mol kisika djeluju u interakciji:
Ako je 1 mol vodonika uključen u reakciju, tada će volumen kisika biti 0,5 mol • 22,4 l/mol=11,2 l.
Uloga molekula O2 u prirodi i ljudskom životu
Kiseonik troše živi organizmi na Zemlji i uključen je u kruženje materije više od 3 milijarde godina. Ovo je glavna tvar za disanje i metabolizam, uz pomoć nje dolazi do razgradnje molekula hranjivih tvari, sintetizira se energija potrebna organizmima. Kiseonik se na Zemlji stalno troši, ali se njegove rezerve obnavljaju fotosintezom. Ruski naučnik K. Timiryazev je vjerovao da zahvaljujući ovom procesu život još uvijek postoji na našoj planeti.
Uloga kiseonika u prirodi i ekonomiji je velika:
- apsorbira tokom disanja od strane živih organizama;
- učestvuje u reakcijama fotosinteze u biljkama;
- dio organskih molekula;
- procesi propadanja, fermentacije, hrđe odvijaju se uz učešće kiseonika koji deluje kao oksidaciono sredstvo;
- koristi se za proizvodnju vrijednih proizvoda organske sinteze.
Utečeni kiseonikcilindri se koriste za rezanje i zavarivanje metala na visokim temperaturama. Ovi procesi se izvode u mašinama, u transportnim i građevinskim preduzećima. Za obavljanje poslova pod vodom, pod zemljom, na velikoj nadmorskoj visini u vakuumu, ljudima su takođe potrebni O2 molekuli. Kiseonički jastuci se koriste u medicini za obogaćivanje sastava vazduha koji udišu bolesni ljudi. Plin za medicinske svrhe razlikuje se od tehničkog po skoro potpunom odsustvu nečistoća i mirisa.
Kisik je idealno oksidaciono sredstvo
Jedinjenja kiseonika su poznata sa svim hemijskim elementima periodnog sistema, osim za prve predstavnike porodice plemenitih gasova. Mnoge supstance direktno reaguju sa O atomima, osim halogena, zlata i platine. Od velikog značaja su pojave kiseonika, koje su praćene oslobađanjem svetlosti i toplote. Ovakvi procesi se široko koriste u svakodnevnom životu i industriji. U metalurgiji, interakcija ruda sa kiseonikom naziva se prženje. Prethodno zdrobljena ruda se miješa sa zrakom obogaćenim kisikom. Pri visokim temperaturama metali se redukuju iz sulfida u jednostavne tvari. Tako se dobija željezo i neki obojeni metali. Prisustvo čistog kiseonika povećava brzinu tehnoloških procesa u različitim granama hemije, tehnologije i metalurgije.
Pojava jeftine metode dobijanja kiseonika iz vazduha separacijom na komponente na niskoj temperaturi stimulisala je razvoj mnogih oblastiindustrijska proizvodnja. Hemičari smatraju O2 molekule i O atome idealnim oksidantima. To su prirodni materijali, stalno se obnavljaju u prirodi, ne zagađuju okolinu. Osim toga, kemijske reakcije koje uključuju kisik najčešće završavaju sintezom drugog prirodnog i sigurnog proizvoda - vode. Uloga O2 je velika u neutralizaciji toksičnog industrijskog otpada, prečišćavanju vode od zagađenja. Osim kisika, za dezinfekciju se koristi njegova alotropna modifikacija, ozon. Ova jednostavna tvar ima visoku oksidacijsku aktivnost. Kada se voda ozonizira, zagađivači se razlažu. Ozon takođe ima štetan uticaj na patogenu mikrofloru.
