8.4 Халькогены. Кислород

8.4.  Халькогены. Кислород, его получение и свойства

К элементам VI главной подгруппы (или 16-ой группы по новой номенклатуре ЮПАК) периодической системы элементов Д.И.Менделеева относятся кислород (О), сера (S), селен (Se), теллур (Te) и полоний (Ро). Групповое название этих элементов - халькогены (термин "халькоген"происходит от  греческих слов "chalkos"-медь и "genos"- рожденный ), то есть "рождающие медные руды", обусловлено тем, что в природе они встречаются чаще всего в форме соединений меди (сульфидов, оксидов, селенидов и т.д.).

В основном состоянии атомы халькогенов имеют электронную конфигурацию ns²np⁴ с двумя неспаренными р-электронами. Они принадлежат к четным элементам. Некоторые свойства атомов халькогенов представлены в таблице.

При переходе от кислорода к полонию размер атомов и их возможные координационные числа увеличиваются, а энергия ионизации (Е_ион) и электроотрицательность (ЭО) уменьшаются. По электроотрицательности (ЭО) кислород уступает лишь атому фтора, а атомы серы и селена также азоту, хлору, брому; кислород, сера и селен относятся к типичным неметаллам.

В соединениях серы, селена, теллура с кислородом и галогенами реализуются степени окисления +6, +4 и +2. С большинством других элементов они образуют халькогениды, где находятся в степени окисления -2.

Естественное семейство кислорода и халькогенов

Название и символ элемента	Атомная масса (округленно, а.е.м.)	Формула простого вещества	Температура плавления простого вещества (°C)	Плотность вещества (г/см3), для газов (г/л)	Состав высшего оксида	Состав водородного соединения
Кислород O	16	O2	-218	1,43	-	H2O
Сера S	32	S	113	2,01	SO3	H2S
Селен Se	79	Se	217	4,81	SeO3	H2Se
Теллур Te	128	Te	450	6,21	TeO3	H2Te

  

Кислород и сера имеют одинаковое строение внешнего энергетического уровня – ns²np⁴, где n – номер периода.

Дыхание – это синоним жизни, а источник жизни на Земле – кислород.

    Подчёркивая важность кислорода для земных процессов, Яков Берцелиус сказал: « Кислород – это вещество, вокруг которого вращается земная химия»

 Кислород – химический элемент

Характеристика химического элемента – кислорода по его положению в ПСХЭ

Кислород — элемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным порядковым номером 8. Обозначается символом O  (лат. Oxygenium). Относительная атомная масса химического элемента кислорода равна 16, т.е. Ar(O)=16.

Валентные возможности атома кислорода

В соединениях кислород обычно двухвалентен (в оксидах), валентность VI не существует. В свободном виде встречается в виде двух простых веществ: О₂ («обычный» кислород) и О₃ (озон). О₂ — газ без цвета и запаха, с относительной молекулярной массой =32. О₃ – газ без цвета с резким запахом, с относительной молекулярной массой =48.

Внимание!  H₂O₂ (перекись водорода) – O (валентность II)

                                   СО    (угарный газ) – О (валентность III)

Распространённость химического элемента кислорода в природе

Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 49% массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,5% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 21% по объёму и 23% по массе. Более 1500 соединений земной коры в своем составе содержат кислород.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 20 %, по массовой доле — около 65 %.

 Кислород – простое вещество

 Получение кислорода

             Получение в лаборатории

1) Разложение перманганата калия (марганцовка):

2KMnO₄ ^t˚C=K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑

2) Разложение перекиси водорода:

2H₂O₂ ^MnO2=2H₂O + O₂↑

3) Разложение бертолетовой соли:

2KClO₃ ^{t˚C , MnO2}=2KCl + 3O₂↑

Получение в промышленности

1) Электролиз воды

2H₂O ^{эл. ток}=2H₂ + O₂↑

2) Из воздуха

ВОЗДУХ ^{давление, -183˚C}=O₂ (голубая жидкость)

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия (марганцовка) KMnO₄. Кислород мало растворим в воде и тяжелее воздуха, поэтому его можно получать двумя способами:

·        вытеснением воды;

·        вытеснением воздуха (кислород будет собираться на дне сосуда).

 Существуют и другие способы получения кислорода.

 Химические свойства кислорода

Кислород относится к активным неметаллам. Во всех соединениях, кроме соединений с фтором и пероксидов, он имеет степень окисления -2, (в соединениях с фтором кислород проявляет степень окисления +2, а в пероксидных соединениях степень его окисления равна -1 или даже дробному числу. Это объясняется тем, что в пероксидах 2 или несколько атомов кислорода соединены друг с другом).

Кислород взаимодействует со всеми металлами, за исключением золота и платиновых металлов (кроме осмия), образуя оксиды:

2 Мg + О₂ = 2 MgО (оксид магния);

4 Аl + 3 О₂ = 2 Аl₂O₃ (оксид алюминия).

Ряд металлов, кроме основных оксидов, образует амфотерные (ZnО, Сr₂О₃, Аl₂О₃ и др.) и даже кислотные (СrО₃, Мn₂О₇ и др.) оксиды.

Он взаимодействует также со всеми, кроме галогенов, неметаллами, образуя кислотные или несолеобразующие (индифферентные) оксиды:

S + О₂ = SО₂ (оксид серы (IV));

4 Р + 5 O₂ = 2 Р₂О₅ (оксид фосфора (V));

N₂ + О₂ = 2 NО (оксид азота (II)).

Оксиды золота и платиновых металлов получают разложением их (гидроксидов, а кислородные соединения галогенов - осторожным обезвоживанием их кислородсодержащих кислот).

В кислороде и на воздухе легко окисляются (сгорают или тлеют) многие неорганические и органические вещества. Из неорганических веществ, кроме металлов и неметаллов, с кислородом реагируют все соединения металлов с неметаллами, за исключением хлоридов и бромидов:

СаН₂ + O₂ = СаО + Н₂О;

2 ZnS + 3 O₂ = 2 ZnО + 2 SO₂;

Мg₃Р₂ + 4 O₂ = Мg₃(РО₄)₂;

Са₂Si + 2 O₂ = Са₂SiО₄;

4 КI + O₂ + 2 Н₂О = 4 КОН + I₂.

Из органических соединений с кислородом взаимодействуют почти все, кроме полностью фторированных углеводородов (фреонов), а также хлор- и бромпроизводных с большим содержанием хлора или брома (хлороформ, тетрахлорид углерода, полихлорэтаны и аналогичные бромпроизводные):

С₃Н₈ + 5 O₂ = 3 СО₂ + 4 Н₂О;

2 С₂Н₅ОН + O₂ = 2 СН₃СНО + 2 Н₂О;

2 СН₃СНО + О₂ = 2 СН₃СООН;

C₆Н₁₂О₆ + 6 O₂ = 6 СО₂ + 6 Н₂О;

2 C₆H₆ + 15 O₂ = 12 СО₂ + 6 Н₂О.

В атомарном состоянии кислород более активен, чем в молекулярном. Это свойство используют для отбеливания различных материалов (легче разрушаются окрашивающие органические вещества). В молекулярном состоянии кислород может существовать в виде кислорода (O₂) и озона (O₃), т. е. для него характерно явление аллотропии.

Взаимодействие веществ с кислородом называется окислением. В результате образуютсяоксиды – сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является двухвалентный атом кислорода.

Реакции окисления, протекающие с выделением тепла и света, называют реакциями горения.  Кислород взаимодействует с простыми веществами – металлами и неметаллами; а так же со сложными веществами.

Изучите алгоритм составления уравнений реакций окисления на примере алюминия и метана CH₄.

Круговорот кислорода в природе

В природе кислород образуется в процессе фотосинтеза, который происходит в зелёных растениях на свету. В целях сохранения кислорода в воздухе вокруг городов и крупных промышленных центров создаются зоны зелёных насаждений.

 Применение кислорода

Применение кислорода основано на его свойствах: кислород поддерживает горение и дыхание.

УПРАЖНЕНИЯ

1. При полном разложении нитрата щелочного металла масса выделившегося кислорода составляет 8,2 % от исходной массы нитрата. Установите формулу нитрата.

Решение:

Пусть масса нитрата, вступившего в реакцию, равна 100 г, тогда масса выделившегося кислорода равна 8,2 г.

Запишем уравнение реакции разложения нитрата, обозначив символ элемента буквой X:

NО3 = 2XNO2 + О2.

(у + 62) г/моль 32 г/моль

Находим количества веществ нитрата щелочного металла и кислорода:

w(XNO3) = 100 / (у + 62) (моль); n (О2) = 8,2 / 32 (моль).

По уравнению реакции из 2 моль нитрата выделяется 1 моль кислорода. Отсюда следует:

2 (8,2 / 32) = 100 / (y + 62).

Решая уравнение, находим, что у = 133. Следовательно, щелочной металл — это цезий.

________________________________________________________________

2. Напишите уравнения реакций в соответствии со схемой превращений: . В схеме А — газ, необходимый для дыхания; В – простое вещество желтого цвета; С - удушливый газ, в два раза тяжелее кислорода; D - газ с неприятным запахом тухлых яиц.

Решение:

А — кислород; В — сера; С — оксид серы (IV); D — сероводород.

Химические превращения могут быть представлены следующими уравнениями:

O2 + 2H2S = 2S + 2H2O;

S + O2 = SO2;

SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O;

S + H2= H2S.

________________________________________________________________

3. Простое вещество А образуется из газообразного вещества Б во время грозы. Вещество А неустойчиво и легко превращается в вещество Б. В веществе Б сгорает вещество В красного цвета, образуя вещество Г черного цвета. Если на вещество Г подействовать газообразным веществом Д, которое значительно легче воздуха, можно получить вещество В. Определите состав веществ А, Б, В, Г, Д и напишите уравнения реакций.

Решение:

А – озон, Б — кислород, В — медь, Г — оксид меди (II), Д — водород.

Задача 4. В лаборатории имеются вещества: перманганат калия, нитрат натрия, хлорат калия, пероксид бария. Какое из этих веществ нужно использовать, чтобы получить максимальный объем кислорода? Ответ подтвердите расчетами.

Решение

Запишем уравнения реакций получения кислорода из предложенных веществ:

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + О2­;

158 г/моль

2NaNО3 = 2NaNO2 + О2­;

85 г/моль

2KClO3 = 2KCl + 3О2­;

122,5 г/моль

2ВаО2 = 2ВаО + О2­.

169 г/моль

Пусть для получения кислорода использовали равные навески веществ, обозначим их массу буквой т. Определим количество вещества кислорода по каждому уравнению реакции:

n (KMnO4) = т /158, следовательно, n(02) = т /(2 × 158);

n (NaNO3) = т /85, следовательно, n(02) = т /(2 × 85);

n (KClO3) = т /122,5, следовательно, n(O2) = 3 т /(2 × 122,5);

n (BaО2) = т /169, следовательно, n(О2) = т /(2 • 169).

Сравнивая количества вещества кислорода, которое получается в каждой реакции, делаем вывод, что максимальное количество, а значит, и объем этого вещества можно получить при разложении хлората калия.

________________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.     Сколько электронов в атомах халькогенов на внешнем электронном слое? Какова общая конфигурация внешнего электронного слоя атомов халькогенов.

2.     Какую валентность имеет кислород? Почему валентность кислорода является постоянной величиной.

3.     Каковы лабораторные способы получения кислорода.

4.     С какими простыми веществами кислород непосредственно не взаимодействует.

5.     Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

6.     Найдите, какая масса кислорода вступила в реакцию, если получено: а) 71 г оксида фосфора (V); б) 4,4 г оксида углерода (IV);  в) 4 г оксида магния;  г) 4,5 г оксида азота (II).

7.     Какова масса 1л смеси, содержащей 10 % озона и 90 % кислорода (н.у.).

8.     Плотность смеси озона с кислородом по водороду равна 18. Найдите, исходя из этого, объемный состав смеси.

9.     Какой из оксидов железа – Fe₃O₄ или Fe₂O₃ – богаче железом.

10.                       Методом электронного баланса найдите коэффициенты в уравнениях следующих окислительно-восстановительных реакций:

ВИДЕО ОПЫТ

1.     Кислотные свойства наиболее выражены для:
а) H2S	б) H2O
в) H2Se	г) H2Te
2.     Отметьте формулу иона с наиболее выраженными восстановительными свойствами:
а) S2-	б) Se2-
в) O2-	г) Te2-
3.     Окислительные свойства простых веществ последовательно нарастают в ряду:
а) теллур, сера, селен	б) сера, теллур, селен
в) кислород, сера, теллур	г) теллур, сера, кислород
4.     Озон является:
а) соединением кислорода с водородом	б) изотопом кислорода
в) изомером кислорода	г) аллотропной модификацией кислорода
5.     Масса хлората калия (г), из которого получено 448 л (н.у.) кислорода при объемной доле выхода 80 % равна:
а) 1541,7	б) 2253,1
в) 1633,3	г) 2041,7
6.     Какой из газов не способен гореть в атмосфере кислорода:
а) метан	б) угарный газ
в) водород	г) углекислый газ
7.     Кислород  нельзя получить разложением:
а) бертолетовой соли	б) воды
в) перманганата калия	г) карбоната кальция
8.     Кислород можно распознать:
а) индикатором	б) по запаху
в) тлеющей лучиной	г) известковой водой
9.     Какое максимальной число водородных связей может образовать данная молекула воды с другими молекулами воды:
а) 4	б) 2
в) 3	г) 1
10.                        При окислении 12 г некоторого металла получено 16,8 его оксида. Какой объем (л, н.у.) кислорода затрачен на окисление:
а) 3,36	б) 2,24
в) 4,48	г) 6,72

Ответы:

1	г
2	г
3	г
4	г
5	г
6	г
7	г
8	в
9	а
10	а