2 розділ. Кисень

У матеріалі цього розділу ви знайдете відомості про елемент Оксиген і його просту речовину — кисень. Такий вибір елемента і речовини не випадковий. Атоми Оксигену містяться в молекулах багатьох сполук — органічних і неорганічних. Кисень є дуже важливою простою речовиною. Без нього не можуть існувати живі істоти. Цей газ використовують у металургії, хімічній промисловості, техніці, медицині. Він бере участь у процесах горіння, багатьох реакціях, які відбуваються в навколишній природі.

§ 22. Оксиген. Кисень

Матеріал параграфа допоможе вам:

• систематизувати відомості про хімічний елемент Оксиген;
• оцінити поширеність Оксигену та його простої речовини кисню в природі;
• характеризувати фізичні властивості кисню.

Оксиген. Це перший елемент, який ви докладно вивчатимете. Слово «оксиген» походить від грецьких слів «oxys» (кислий) і «genos» (народження). Таку назву елемент отримав у XVIII ст.; тоді вчені вже знали, що він входить до складу кислот («народжує кислоти»). Згодом з’ясувалося, що існують кислоти, молекули яких не містять атомів Оксигену. Проте назва елемента збереглася.

Із періодичної системи отримуємо такі відомості про Оксиген:

• символ елемента — О;
• Оксиген розміщений у 2-му періоді, в VI групі;
• порядковий номер елемента — 8;
• його відносна атомна маса — 16 (точне значення — 15,999).

Цікаво знати

До 1961 р. атомною одиницею маси була 1/16 маси атома Оксигену.

Порядковий номер елемента вказує на те, що атом Оксигену містить 8 електронів, а заряд ядра атома становить +8.

Оксиген — неметалічний елемент, оскільки його прості речовини кисень О₂ і озон О₃ є неметалами.

Вам відомо, що Оксиген має постійне значення валентності, яке дорівнює 2.

• Напишіть формули сполук Оксигену з Натрієм, Кальцієм, Алюмінієм.

Поширеність Оксигену в природі. Оксиген — один із найпоширеніших елементів на нашій планеті. У земній корі його атомів більше, ніж атомів будь-якого іншого елемента (c. 73). Атоми Оксигену містяться в піску, глині, вапняку, багатьох мінералах. Оксиген — другий елемент за поширеністю в атмосфері (після Нітрогену) і гідросфері (після Гідрогену). Головний складник гідросфери — вода — є сполукою Оксигену з Гідрогеном.

Атоми Оксигену входять до складу молекул багатьох речовин, які містяться в живих організмах, — води, білків, жирів тощо. У тілі дорослої людини масова частка цього елемента становить приблизно 65 %.

Кисень. Найважливіша проста речовина Оксигену — кисень. Цей газ необхідний для дихання; він підтримує горіння.

Формула кисню вам відома — О₂. Речовина складається з двохатомних молекул.

Цікаво знати

Організм дорослої людини щодоби споживає 600—900 г кисню.

Молекули кисню досить стійкі. Лише за температури понад 2000 °С або під дією електричних розрядів чи ультрафіолетових променів вони розпадаються на атоми.

Кисень є компонентом повітря — природної суміші газів. На нього припадає приблизно 1/5 об’єму повітря. Склад повітря, з якого видалено водяну пару 1 , наведено в таблиці 3.

1 Водяна пара зумовлює вологість повітря.

Склад повітря

Частка в повітрі, %

* Об’ємна частка речовини в суміші є відношенням об’єму речовини до об’єму суміші. Об’ємну частку позначають грецькою літерою φ (фі).

Визначити об’ємну частку кисню в повітрі можна за допомогою експерименту. Для цього потрібні скляна пляшка без дна із пробкою і посудина (кристалізатор) більшого діаметру, заповнена до половини водою. Дослід здійснюють так. У пробку вставляють ложку для спалювання, в яку набирають червоний фосфор. Його підпалюють, швидко поміщають у пляшку і щільно закривають її пробкою (мал. 61). При горінні фосфору утворюється дим із дрібних часточок сполуки Фосфору з Оксигеном, які поступово осідають на поверхню води і взаємодіють з нею з утворенням кислоти (с. 184 підручника). Вода заходить у посудину і, коли горіння припиниться, підніметься приблизно на 1/5 об’єму пляшки. Цей об’єм займав у повітрі кисень, який вступив у реакцію з фосфором. Над рідиною залишається азот із домішками інших газів.

Мал. 61. Визначення об’ємної частки кисню в повітрі спалюванням фосфору: а — початок досліду; б — завершення досліду

Кисень міститься не лише в атмосфері. Невелика кількість його разом з іншими газами повітря розчинена в природній воді.

Фізичні властивості кисню. За звичайних умов кисень — безбарвний газ, який не має запаху і смаку. При охолодженні до -183 °С він перетворюється на блакитну рідину, яка за температури -219 °С твердне, утворюючи сині кристали. Кисень в 1,1 раза важчий за повітря. Він слабко розчиняється у воді, але цього достатньо для існування у водоймах риб та інших живих істот, які дихають розчиненим киснем.

Цікаво знати

Рідкий кисень, як і залізо, притягується до магніту.

Оксиген — неметалічний елемент. У природі поширена його проста речовина — кисень, а також вода і багато інших сполук цього елемента. На кисень припадає майже 1/5 об’єму повітря.

Кисень — газ без запаху і смаку; він необхідний для дихання, підтримує горіння.

155. Складіть речення, вставивши замість крапок слова «Оксиген» або «кисень» у відповідних відмінках:

• а) . — проста речовина . ;
• б) вода утворена Гідрогеном і . ;
• в) молекула . складається із двох атомів . ;
• г) у результаті фотосинтезу рослини поглинають вуглекислий газ, а виділяють . .

156. Назвіть два гази, яких у повітрі найбільше, і напишіть їхні формули.

157. Підготуйте за матеріалами з інтернету повідомлення про зміну складу атмосфери з висотою.

158. У яких природних речовинах (простих, складних) містяться атоми Оксигену? Які із цих речовин входять до складу атмосфери, гідросфери, літосфери?

159. Складіть формули сполук Оксигену за вказаними валентностями елементів:

160. Знайдіть масову частку Оксигену:

161. Яка маса Оксигену міститься в 90 г води?

162. Обчисліть масу кисню в 10 л повітря, якщо густина повітря становить 1,29 г/л. Додаткові відомості, необхідні для розв’язання задачі, візьміть із таблиці 3.

163. Відносна молекулярна маса сполуки Сульфуру з Оксигеном удвічі більша за відносну молекулярну масу кисню. Знайдіть формулу сполуки.

Кисень – хімія

Кисень є родоначальником головної підгрупи VI групи (VIA групи) Періодичної системи Д. І. Менделєєва.

Елементи цієї підгрупи – кисень О, сірка S, селен Se, телур Ті, полоній Ро – мають загальну назву «халькогена», що означає «рождающие руди». (Згадайте, з якими рудами, що містять кисень і сірку, ви вже познайомилися.)

З деякими аспектами хімії кисню ви вже частково знайомі. Отримання кисню з пероксиду водню (рис. 108) і перманганату калію (рис. 109) ви розбирали торік (згадайте ці реакції).

Ви тепер добре знайомі і з аллотропией кисню, вам відоме таке важливе проста речовина, як озон. (Порівняйте ще раз властивості кисню O2 і озону O3, згадайте біологічне значення озону.)

Кисень – найпоширеніший елемент на нашій планеті. Він входить до складу води (88,9%), яка покриває 2/3 поверхні земної кулі, створюючи його водну оболонку – гідросферу. Кисень – друга за кількістю і перша за значенням для життя складова частина повітряної оболонки Землі – атмосфери, де на його частку припадає 20,95% за обсягом і 23,15% по масі. Кисень входить до складу численних мінералів твердої оболонки земної кори – літосфери: з кожних 100 атомів земної кори на частку кисню припадає 58 атомів.

Як ви вже знаєте, кисень існує у формі O2. Це газ без кольору, запаху. У рідкому стані має світло-блакитне забарвлення, в твердому – синю. У воді газоподібний кисень розчинний краще, ніж азот і водень.

Кисень взаємодіє майже з усіма простими речовинами, крім галогенів, благородних газів, золота і платинових металів. Наприклад, енергійно реагує з металами: лужними, утворюючи оксид з літієм Li2O та інші продукти, наприклад пероксиди М2O2; з залізом, утворюючи залізну окалину Fe3O4; з алюмінієм (запишіть відповідні рівняння реакцій, розгляньте окислювально-відновні процеси).

Реакції металів і неметалів з киснем протікають дуже часто з виділенням великої кількості теплоти і супроводжуються займанням -Реакция горіння. (Запишіть рівняння реакцій горіння сірки з утворенням SO2, фосфору – з утворенням Р2O5 і вугілля – з утворенням СO2.)

Висока окислювальна здатність кисню лежить в основі горіння усіх видів палива.

Кисень бере участь і в процесах дихання (рис. 110), повільного окислення різних речовин при звичайній температурі. Ці процеси не менш важливі, ніж реакції горіння. Так, повільне окислення їжі в нашому організмі є джерелом енергії, за рахунок якої живе організм. Кисень для цієї мети доставляється гемоглобіном крові, який здатний утворювати з ним безсила з’єднання вже при кімнатній температурі. Окислений гемоглобін – оксігемогло- бін – доставляє у всі тканини і клітини організму кисень, який окисляє білки, жири і вуглеводи (складові частини їжі), утворюючи при цьому оксид вуглецю (IV) (вуглекислий газ) і воду і звільняючи енергію, необхідну для діяльності організму.

Виключно важлива роль кисню в процесі дихання людини і тварин.

Рослини також поглинають атмосферний кисень. Але якщо в темряві йде тільки процес поглинання рослинами кисню, то на світлі протікає ще один протилежний йому процес – фотосинтез (рис. 111), в результаті якого рослини поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень. Так як процес фотосинтезу йде більш інтенсивно, то в підсумку на світлі рослини виділяють набагато більше кисню, ніж поглинають його при диханні. Таким чином, зміст вільного кисню Землі зберігається завдяки життєдіяльності зелених рослин, хоча спочатку атмосфера нашої планети була друго

Кисень застосовують у металургійній та хімічній промисловості для прискорення (інтенсифікації) виробничих процесів. Так, заміна повітряного дуття кисневим в доменному та сталеплавильному виробництві набагато прискорює виплавку металу. Чистий кисень застосовують також для отримання високих температур, наприклад при газовій зварці і різанні металів. Його використовують для життєзабезпечення на підводних і космічних кораблях, при роботах водолазів, пожежників.

У медицині кисень застосовують у випадках тимчасового утруднення дихання, пов’язаного з деякими захворюваннями.

Кисень зберігають у сталевих балонах, пофарбованих у блакитний колір (рис. 114, а), під тиском 150 атм. У лабораторних умовах кисень зберігають у скляному приладі – газометра (рис. 114, б).

Основні області застосування кисню представлені на малюнку 115.

Відкриття кисню. Кисень відкрили і вперше отримали майже одночасно два видатних хіміка XVIII в. – Швед К. Шеєле шляхом нагрівання селітри і англієць Дж. Прістлі при нагріванні оксиду ртуті (II). Назва oxygenium, т. Е. «Народжує кислоти», або «кисень», цьому елементу дав великий французький хімік А. Лавуазьє.

2. Оксиген, кисень, озон

1. \(VIII\) ст. китайський учений Мао встановив наявність у повітрі газу, який підтримує дихання і горіння.

4. Антуан Лоран Лавуазьє у \(1775\) р. експериментально довів, що кисень є складовою частиною повітря.

Оксиген — хімічний елемент. З Періодичної системи можна отримати наступні відомості про нього:

• символ елемента — O ;
• розміщений у другому малому періоді, у головній підгрупі \(VI\) групи;
• порядковий номер елемента — \(8\);
• відносна атомна маса — \(16\) (точне значення \(15,999\) а. о. м);

Оксиген — неметалічний елемент. Він може утворювати дві прості речовини — кисень O 2 і озон O 3 . Валентність Оксигену є постійною і дорівнює \(II\).

За звичайних умов кисень — безбарвний газ без смаку і запаху, важчий за повітря. Погано розчиняється у воді (в \(1\) л можна розчинити лише \(0,04\) г кисню), але цього достатньо для існування у водоймах риб та різноманітних живих організмів, які дихають розчиненим у воді киснем. Кисень підтримує горіння. При температурі − 183 ° С кисень зріджується (утворюється блакитна рідина), а при − 219 ° С — твердне, утворюючи кристали синього кольору.

Оксиген входить до складу більшості органічних сполук. Він становить \(50\) — \(90\) % маси тканин рослин і тварин.

Озон O 3 утворюється з кисню під час грози, при окисненні смоли хвойних дерев і під дією сонячного випромінювання. У лабораторії його отримують в озонаторах . За звичайних умов озон — безбарвний (у товстих шарах — блакитний) газ із запахом, важчий за повітря. Озон є отруйним . Він згубно діє на бактерії і застосовується для знезараження повітря і питної води.

У верхніх шарах атмосфери існує озоновий шар , який захищає все живе від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання.