Творческая работа по химии: кислород

Содержание

1. Открытие  элемента кислород........................................................ 3

2. Нахождение  кислорода в природе............................................... 6    

 а) в составе простых веществ........................................................ 6   

 в) в составе сложных веществ....................................................... 7

3. Положение в таблице Д.И.  Менделеева, строение.................... 9

4. Сравнение окисление, восстановление  и размер атома кислорода с  элементами стоящими с ним  в этойже группе и подгруппе, в томже периоде.................................................................................................. 10

5.Физические свойства алотропных видоизменений в кислороде       11

6. Получение кислорода..................................................................... 12    

 а) в лаборатории............................................................................. 12    

 в) в промышленности.................................................................... 12

7. Химические свойства кислорода  с позиции О.В. реакции, особенности  реакции горения простых и сложных...................... 16

8. Биологическое значение кислорода............................................. 18

9. Применение кислорода.................................................................. 19

10. Творческое задание....................................................................... 20

11. Список использованной литературы......................................... 21

Открытие  элемента кислорода 

1 августа 1774 года я  попытался извлечь воздух из  ртутной окалины и нашел, что  воздух легко может быть изгнан  из нее посредством линзы. Этот  воздух не поглощался водой.  Каково же было мое изумление,  когда я обнаружил, что свеча  горит в этом воздухе необычайно  ярким пламенем. Тщетно пытался  я найти объяснение этому явлению.

Джозеф Пристли

То, что кислород невидим, безвкусен, лишен запаха, газообразен при  обычных условиях, надолго задержало  его открытие.

Многие ученые прошлого догадывались, что существует вещество со свойствами, которые, как мы теперь знаем, присущи  кислороду.

Изобретатель подводной лодки  К. Дреббель еще в начале XVII в. выделил кислород, выяснил роль этого газа для дыхания и использовал его в своей подводной лодке. Но работы Дреббеля практически не повлияли на развитие химии. Его изобретение носило военный характер, и все, что было так или иначе связано с ним, постарались своевременно засекретить.

Кислород открыли почти одновременно два выдающихся химика второй половины XVIII в. швед Карл Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Шееле получил кислород раньше, но его трактат «О воздухе и огне», содержавший информацию о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли.

И все-таки главная фигура в истории  открытия кислорода  не Шееле и не Пристли. Они открыли новый газ и только. Открыли кислород и до конца дней своих остались ревностными защитниками теории флогистона! Теории некогда полезной, но к концу XVIII в. ставшей уже «кандалами на ногах науки».

Позже Фридрих Энгельс напишет  об этом: «Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал в их руках бесследно... Собственно открывшим кислород, поэтому остается Лавуазье, а не те двое, которые только описали кислород, даже не догадываясь, что они описывают».

Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (тогда еще очень  молодой) узнал о кислороде от самого Пристли. Спустя два месяца после  открытия «дефлогистонированного воздуха» Пристли приехал в Париж и подробно рассказал о том, как было сделано это открытие и из каких веществ (ртутная и свинцовая окалины) новый «воздух» выделяется.

До встречи с Пристли Лавуазье не знал, что в горении и дыхании  принимает участие только часть  воздуха. Теперь он по-новому поставил начатые двумя годами раньше исследования горения. Для них характерен скрупулезный количественный подход: все, что можно, взвешивалось или как-либо иначе  измерялось.

Лавуазье наблюдал образование  красных чешуек «ртутной окалины» и  уменьшение объема воздуха при нагревании ртути в запаянной реторте. В  другой реторте, применив высокотемпературный  нагрев, он разложил полученные в предыдущем опыте 2,7  С «ртутной окалины» и получил 2,5  С ртути и 8 кубических дюймов того самого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором часть ртути была превращена в окалину, было «потеряно» как раз 8 кубических дюймов воздуха, а остаток его стал «азотом» – не жизненным, не поддерживающим ни дыхания, ни горения. Газ, выделенный при разложении окалины, проявлял противоположные свойства, и потому Лавуазье вначале назвал его «жизненным газом». Лавуазье выяснил сущность горения. И надобность в флогистоне – «огненной материи», якобы выделяющейся при сгорании любых горючих, отпала.

Кислородная теория горения пришла на смену теории флогистона. За два  века, прошедших со времени открытия, теория Лавуазье не только не была опровергнута, но еще более укрепилась.

Это не значит, конечно, что об элементе №8 современной науке известно абсолютно  все.

Нахождение  кислорода в природе

.

Кислород самый распространенный элемент на нашей планете. Он входит в состав воды (88,9%), а ведь она  покрывает ²/з поверхности земного шара, образуя его водную оболочку гидросферу. Кислород вторая по количеству и первая по значению для жизни составная часть воздушной оболочки Земли атмосферы, где на его долю приходится 21% (по объему) и 23,15% (по массе). Кислород входит в состав многочисленных минералов твердой оболочки земной коры литосферы: из каждых 100 атомов земной коры на долю кислорода приходится 58 атомов.

Как вы уже знаете, обычный кислород существует в форме О₂. Это газ без цвета, запаха и вкуса. В жидком состоянии имеет светло-голубую окраску, в твердом синюю. В воде газообразный кислород растворим лучше, чем азот и водород.

а) В составе простых  веществ.

Кислород взаимодействует почти  со всеми простыми веществами, кроме  галогенов, благородных газов, золота и платиновых металлов. Например, энергично  реагирует с металлами: щелочными, образуя оксиды М₂О и пер оксиды М₂О₂; с железом, образуя железную окалину Ге₃О₄; с алюминием, образуя оксид А1₂О₃.

Реакции неметаллов с кислородом протекают  очень часто с выделением большого количества тепла и сопровождаются воспламенением реакции горения. Вспомните  горение серы с образованием SО₂, фосфора с образованием Р₂О₅ или угля с образованием СО₂.

Почти все реакции с участием кислорода экзотермические. Исключение составляет взаимодействие азота с  кислородом: это эндотермическая  реакция, которая протекает при  температуре выше 1200 °С или при электрическом разряде:

N₂ + O₂                  2NO –Q

в) в составе сложных  веществ

Кислород энергично окисляет не только простые, но и сложные вещества, при этом образуется оксиды элементов, из которых они построены.

СН₄  + 2О₂ = 2Н₂О + СО₂

Метан

2Н₂S  + ЗО₂ = 2SО2 + 2Н₂О

Высокая окислительная способность  кислорода лежит в основе горения  всех видов топлива.

Кислород участвует и в процессах  медленного окисления различных  веществ при обычной температуре. Эти процессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи в нашем организме является источником энергии, за счет которой живет организм. Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре. Окисленный гемоглобин оксигемоглобин доставляет во все ткани и клетки организма кислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя при этом углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую для деятельности организма.

Исключительно важна роль кислорода  в процессе дыхания человека и  животных.

Растения также поглощают атмосферный  кислород. Но если в темноте идет только процесс поглощения растениями кислорода, то на свету протекает  еще один противоположный ему  процесс — фотосинтез, в результате которого растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Так как процесс фотосинтеза идет более интенсивно, то в итоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают его при дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений.

Положение в таблице  Д.И. Менделеева, строение.

В центре атома кислорода находится  ядро с зарядом +8, ядро состоит из 8 протонов и (16-8)= 8 нейтронов вокруг ядра вращается 12 электронов.

О-О;

О    О

1)    1 S²            

2)    2 S² P⁴              

Для завершения внешнего энергетического  уровня кислороду не хватает двух электронов. Энергично принимая их кислород проявляет степень окисления, равную –2. Однако в соединениях кислорода со фтором, общая электронная пара смещена по фтору как к более электроотрицательному элементу, В этом случае степень окисления кислорода равна + 2, а фтора + 2 . в пер оксиде водорода H₂O₂  и его производных степеней окисления равна – 1. В соединениях со всеми другими электронами окислительность кислорода отрицательна и равна – 2.

Сравнение окислительно-восстановительных свойств и размера ядра кислорода с элементами стоящими с ним в той же подгруппе, группе и периоде. 

В своей группе у кислорода самая  маленькая орбита. Принять электроны  ему легче всех, отдать труднее. Самая  маленькая орбита у него потому, что он стоит во 2 периоде и следовательно у него меньше всех электронных слоев. Принять недостающих электрон легче потому что, у него лучше связь атома с электроном, чем у остальных элементов этой группы. И отдать труднее потому что, тоже связь с электрона с ядром на последнем слое сильней, чем у остальных элементов этой группы.

У кислорода ядро меньше чем у Li, Be, B, C, N, но больше чем у F, потому что число элекроных слоев у них одинаковы, а количество электронов на последнем слое разное. У кислорода электроны больше чем у Li, Be, B, C, N значит связь электронов с ядром больше и радиус меньше. У кислорода восстановительные свойства больше, чем у Li, Be, B, C, N и принять недостающий электрон ему легче, по меньше чем у фтора, которому принять недостающий электрон еще легче, чем кислороду.

Физические свойства аллотропных  видоизменений кислорода. 

Аллотпропным видоизменениям кислорода является озон. В отличии от бесцветного кислорода, не имеющего запаха, озон – это светло синий газ с сильным запахом. Озон в полтора тяжелее кислорода, лучше его растворяется в воде. Как окислитель озона само воспламеняющее горящие жидкости, например этан. При обычной температуре озон окисляет даже серебро. Поэтому дышать воздухом со значительным содержанием озона нельзя, т.к. он разрушает ткани дыхательных путей.

Большая окислительная активность озона объясняется его термической  неустойчивостью. Он при комнатной  температуре медленно, но при 100-150^0. С быстро разлагается на кислород и атомарный О⁰, которой является чрезвычайно сильным окислителем по с сравнению с кислородом, он мгновенно вступает в химическую реакцию. В воздушной атмосфере над Землей на высоте около 25 километров находится озоновый слой, который защищает все живое от ультрофиалетовых лучей.

Получение кислорода

a)                 в лаборатории 

Кислород в лаборатории получают путем разложения пероксида водорода (H₂O₂) в присутствии катализатора- диоксида марганца (Mn O₂) , а также разложением перманганата калия (KMn O₄) при нагревание.

b)                в промышленности 

Так как горением в таком  газе можно получить очень высокие  температуры, полезные во многих... применениях, то быть может, что придет время, когда  указанным путем станут на заводах  и вообще для промышленности обогащать  воздух кислородом.

Д.И. Менделеев

Попытки создать более или менее  мощную кислородную промышленность предпринимались еще в прошлом  веке в. многих странах. Но от идеи до технического воплощения часто лежит «дистанция; огромного размера»...

В Советском Союзе особенно быстрое  развитие кислородной промышленности началось в годы Великой Отечественной  войны, после изобретения академиком Л.П.Капицей турбодетандера и создания мощных воздухоразделительных установок.

Еще Карл Шееле получал кислород, по меньшей мере, пятью способами: из окиси ртути, сурика, селитры, азотной кислоты и пиролюзита. На подводных лодках и сейчас получают кислород, разлагая богатые этим элементом хлораты и перхлораты. В любой школьной лаборатории демонстрируют опыт – разложение воды на кислород и водород электролизом. Но ни один из этих способов не может удовлетворить потребности промышленности в кислороде.

Энергетически проще всего получить элемент №8 из воздуха, поскольку  воздух – не соединение, и разделить  воздух не так уж трудно. Температуры  кипения азота и кислорода  отличаются (при атмосферном давлении) на 12,8°C. Следовательно, жидкий воздух можно разделить на компоненты в  ректификационных колоннах так же, как делят, например, нефть. Но чтобы  превратить воздух в жидкость, его  нужно охладить до минус 196°C. Можно сказать, что проблема получения кислорода – это проблема получения холода.

Чтобы получать холод с помощью  обыкновенного воздуха, последний  нужно сжать, а затем дать ему  расшириться и при этом заставить  его производить механическую работу. Тогда в соответствии с законами физики воздух обязан охлаждаться. Машины, в которых это происходит, называют детандерами.

До 1938г. для получения жидкого  воздуха пользовались только поршневыми детандерами. По существу, такой детандер – это аналог паровой машины, только работает в нем не пар, а  сжатый воздух. Чтобы получить жидкий воздух с помощью таких детандеров, нужны были давления порядка 200 атм., причем по неизбежным техническим причинам на разных стадиях процесса давление было не одинаковым: от 45 до 200 атм. КПД установки был немногим выше, чем у паровой машины. Установка получилась сложной, громоздкой, дорогой.

В конце 30-х годов советский физик  академик П.Л. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Идея – не новая, ее еще в конце прошлого века высказывал Дж. Рэлей, но к.п.д. «докапицынских» турбин для сжижения воздуха был невысок. Поэтому небольшие турбодетандеры лишь выполняли кое-какую подсобную работу при поршневых детандерах.

Капица создал новую конструкцию, которая, по словам изобретателя, была «как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной». Главная особенность турбодетандера Капицы в том, что воздух в ней расширяется не только в сопловом аппарате, но и на лопатках рабочего колеса. При этом газ движется от периферии колеса к центру, работая против центробежных сил.

Такая конструкция турбины позволила  поднять к.п.д. установки с 0,5 до 0,8. И, кроме того, турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого всего лишь до нескольких атмосфер. Очевидно, что 6 атм. получить намного проще и дешевле, чем 200. Немаловажно для экономики и то, что энергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращения ротора генератора электрического тока.

Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии  и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода. Они работают не только у нас, но и во всем мире.

Первый опытный образец турбодетандера был невелик. Его ротор восьми сантиметров в диаметре весил  всего 250г. Но, как писал П.Л. Капица в 1939г., «экспериментальная эксплуатация этого турбодетандера показала, что он является надежным и очень простым механизмом. Технический к.п.д. получается 0,79...0,83». И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислорода новым методом.

В 1942г. построили подобную, но уже  намного более мощную установку, которая производила до 200кг жидкого  кислорода в час. В конце 1944г. вводится в строй самая мощная в мире турбо кислородная установка, производящая в 6...7 раз больше жидкого кислорода, чем установка старого типа, и  при этом занимающая в 3...4 раза меньшую  площадь.

Современный блок разделения воздуха  БР-2, в конструкции которого также  использован турбодетандер, мог  бы за сутки работы снабдить тремя  литрами газообразного кислорода  каждого жителя СССР.

30 апреля 1945 г. Михаил Иванович  Калинин подписал Указ о присвоении  академику П. Л. Капице звания Героя Социалистического Труда «за успешную разработку нового турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбо кислородной установки».

Химические свойства кислорода  с позиции О/В реакции, особенности горения органических и не органических веществ, простых и сложных.  

Реакции окисления, сопровождающиеся выделениям теплоты и света, называются горением. Расплавленная сера горит  в кислороде ярким синим пламенем, при этом образуется газ с резким запахом – диоксид серы, или  оксид серы 4 (SO₂). Запах, его мы ощущаем, когда зажигаем спички.

Внесенный в сосуд, с кислородом горящий красный фосфор горит  ослепительным пламенем с образованием твердого белого вещества – оксида фосфора 5 (P₂O₅)

При внесении в сосуд с кислородом раскаленной стальной проволоки  вы можете наблюдать горение железа, сопровождаемое треском и разбрызгиванием  ярких искр–расплавленных капель железной окалины ( Fe₅O₄)

Это явление можно увидеть при  разливе жидкого чугуна и стали  на металлургических заводах.

Большое практическое значение имеют  процессы горения сложных веществ, как, например: метан, ацетилена. В результате таких реакций получается оксиды элементов, входящих в состав сложного вещества. Например, схему реакции  горения ацетилена можно записать так.

2 C₂H₂ + 5 O₂              4 CO₂              2H₂O

Если экзотермическая реакция  окисления происходит медленно, то ее горение не называют. Так, медленно окисляются на воздухе многие металлы, покрываясь пленкой оксидов. Сравнительно медленно происходит в живом организме  реакция окисления глюкозы –  одного из основных источников энергии  в организме.

Само горение представляет собой  экзотермическую реакцию окисления, происходящею с достаточно небольшой  скоростью.

Биологическое значение кислорода.

Высокая окислительная способность  кислорода лежит в основе горения  всех видов топлива.

Кислород участвует и в процессах  медленного окисления различных  веществ при обычной температуре. Эти процессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи в нашем организме является источником энергии, за счет которой живет организм. Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре. Окисленный гемоглобин оксигемоглобин доставляет во все ткани и клетки организма кислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя при этом углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую для деятельности организма.

Исключительно важна роль кислорода  в процессе дыхания человека и  животных. Растения также поглощают  атмосферный кислород. Но если в  темноте идет только процесс поглощения растениями кислорода, то на свету протекает  еще один противоположный ему  процесс — фотосинтез, в результате которого растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Так как процесс фотосинтеза идет более интенсивно, то в итоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают его при дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений.

Применение кислорода.

Кислород применяют в металлургической и химической промышленности для  ускорения производственных процессов. Так, замена воздушного дутья кислородным в доменном и сталеплавном производстве на много ускоряет выплавку металла. Чистый кислород применяют также для получения высоких температур, на пример, при газовой сварке и резке металлов.

Его используют для жизнеобеспечения на подводных и космических кораблях, при работах водолазов, пожарных.

В медицине кислород применяют в  случаях временного затруднения  дыхания, связанного с некоторыми заболеваниями.

Творческое задание.

Список используемой литературы.  

1.     Учебник за 9 класс по химии О.С. Габриелян.

2.     Энциклопедия по химии.

3.     Интернет <Популярная библиотека химических элементов>.