МОУСОШ №112
Творческая работа
по химии:
на тему: Кислород
Выполнил:ученик 97класса
СоложенцевАндрей
Проверила:учительница химии
КудрявцеваНаталья Михайловна
Челябинск,2003 г.Содержание1. Открытие элемента кислород… 32. Нахождение кислорода в природе… 6
а) всоставе простых веществ… 6
в) в составесложных веществ… 7
3. Положение в таблице Д.И. Менделеева, строение… 9
4. Сравнение окисление, восстановление и размер атомакислорода с элементами стоящими с ним в этойже группе и подгруппе, в томжепериоде… 10
5.Физические свойства алотропныхвидоизменений в кислороде 11
6. Получение кислорода… 12
а) в лаборатории… 12
в) в промышленности… 12
7. Химические свойства кислорода с позицииО.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… 21Открытие элемента кислорода
1 августа 1774 года я попытался извлечь воздух изртутной окалины и нашел, что воздух легко может быть изгнан из нее посредствомлинзы. Этот воздух не поглощался водой. Каково же было мое изумление, когда яобнаружил, что свеча горит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетнопытался я найти объяснение этому явлению.
Джозеф Пристли
То, что кислород невидим, безвкусен, лишензапаха, газообразен при обычных условиях, надолго задержало его открытие.
Многие ученые прошлого догадывались, чтосуществует вещество со свойствами, которые, как мы теперь знаем, присущикислороду.
Изобретатель подводной лодки К. Дреббель еще вначале XVII в. выделил кислород, выяснил роль этого газа для дыхания ииспользовал его в своей подводной лодке. Но работы Дреббеля практически неповлияли на развитие химии. Его изобретение носило военный характер, и все, чтобыло так или иначе связано с ним, постарались своевременно засекретить.
Кислород открыли почти одновременно два выдающихся химика второйполовины XVIII в. швед Карл Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Шеелеполучил кислород раньше, но его трактат «О воздухе и огне», содержавшийинформацию о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытииПристли.
И все-таки главная фигура в истории открытиякислорода не Шееле и не Пристли. Ониоткрыли новый газ и только. Открыли кислород и до конца дней своих осталисьревностными защитниками теории флогистона! Теории некогда полезной, но к концуXVIII в. ставшей уже «кандалами на ногах науки».
Позже Фридрих Энгельс напишет об этом: «Оба онитак и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено былореволюционизировать химию, пропадал в их руках бесследно… Собственнооткрывшим кислород, поэтому остается Лавуазье, а не те двое, которые толькоописали кислород, даже не догадываясь, что они описывают».
Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье(тогда еще очень молодой) узнал о кислороде от самого Пристли. Спустя двамесяца после открытия «дефлогистонированного воздуха» Пристли приехал в Париж иподробно 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 вгорении и дыхании принимает участие только часть воздуха. Теперь он по-новомупоставил начатые двумя годами раньше исследования горения. Для них характеренскрупулезный количественный подход: все, что можно, взвешивалось или как-либоиначе измерялось.
Лавуазье наблюдал образование красных чешуек«ртутной окалины» и уменьшение объема воздуха при нагревании ртути в запаяннойреторте. В другой реторте, применив высокотемпературный нагрев, он разложилполученные 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 приразложении окалины, проявлял противоположные свойства, и потому Лавуазьевначале назвал его «жизненным газом». Лавуазье выяснил сущность горения. Инадобность в флогистоне – «огненной материи», якобы выделяющейся при сгораниилюбых горючих, отпала.
Кислородная теория горения пришла на смену теориифлогистона. За два века, прошедших со времени открытия, теория Лавуазье нетолько не была опровергнута, но еще более укрепилась.
Это не значит, конечно, что об элементе №8современной науке известно абсолютно все.Нахождение кислорода в природе
.
Кислородсамый распространенный элемент на нашей планете. Он входит в состав воды(88,9%), а ведь она покрывает 2/з поверхности земного шара, образуяего водную оболочку гидросферу. Кислород вторая по количеству и первая позначению для жизни составная часть воздушной оболочки Земли атмосферы, где наего долю приходится 21% (по объему) и 23,15% (по массе). Кислород входит всостав многочисленных минералов твердой оболочки земной коры литосферы: изкаждых 100 атомов земной коры на долю кислорода приходится 58 атомов.
Каквы уже знаете, обычный кислород существует в форме О2. Это газ безцвета, запаха и вкуса. В жидком состоянии имеет светло-голубую окраску, втвердом синюю. В воде газообразный кислород растворим лучше, чем азот иводород.
а)В составе простых веществ.
Кислородвзаимодействует почти со всеми простыми веществами, кроме галогенов,благородных газов, золота и платиновых металлов. Например, энергично реагируетс металлами: щелочными, образуя оксиды М2О и пер оксиды М2О2;с железом, образуя железную окалину Ге3О4; с алюминием,образуя оксид А12О3.
Реакции неметаллов скислородом протекают очень часто с выделением большого количества тепла исопровождаются воспламенением реакции горения. Вспомните горение серы собразованием SО2,фосфора с образованием Р2О5 или угля с образованием СО2.
Почти все реакции сучастием кислорода экзотермические. Исключение составляет взаимодействие азотас кислородом: это эндотермическая реакция, которая протекает при температуревыше 1200 °С или при электрическом разряде:
N2 + O2 2NO –Q
в) в составе сложных веществ
Кислородэнергично окисляет не только простые, но и сложные вещества, при этомобразуется оксиды элементов, из которых они построены.
СН4 + 2О2 = 2Н2О + СО2Метан
2Н2S + ЗО2= 2SО2+ 2Н2О
Высокая окислительнаяспособность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива.
Кислород участвует и впроцессах медленного окисления различных веществ при обычной температуре. Этипроцессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи внашем организме является источником энергии, за счет которой живет организм.Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способенобразовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре.Окисленный гемоглобин оксигемоглобин доставляет во все ткани и клетки организмакислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи),образуя при этом углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую длядеятельности организма.
Исключительно важна ролькислорода в процессе дыхания человека и животных.
Растения также поглощаютатмосферный кислород. Но если в темноте идет только процесс поглощениярастениями кислорода, то на свету протекает еще один противоположный емупроцесс — фотосинтез, в результате которого растения поглощают углекислый гази выделяют кислород. Так как процесс фотосинтеза идет более интенсивно, то витоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают егопри дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняетсяблагодаря жизнедеятельности зеленых растений.
Положениев таблице Д.И. Менделеева, строение.
В центре атома кислороданаходится ядро с зарядом +8, ядро состоит из 8 протонов и (16-8)= 8 нейтроноввокруг ядра вращается 12 электронов.
О-О;
О О
1) S2
2) S2 P4
Для завершения внешнегоэнергетического уровня кислороду не хватает двух электронов. Энергично принимаяих кислород проявляет степень окисления, равную –2. Однако в соединенияхкислорода со фтором, общая электронная пара смещена по фтору как к болееэлектроотрицательному элементу, В этом случае степень окисления кислорода равна+ 2, а фтора + 2. в пер оксиде водорода H2O2 и его производных степеней окисленияравна – 1. В соединениях со всеми другими электронами окислительность кислородаотрицательна и равна – 2.
Сравнение окислительно-восстановительных свойств и размера ядра кислородас элементами стоящими с ним в той же подгруппе, группе и периоде.
В своей группе укислорода самая маленькая орбита. Принять электроны ему легче всех, отдатьтруднее. Самая маленькая орбита у него потому, что он стоит во 2 периоде иследовательно у него меньше всех электронных слоев. Принять недостающихэлектрон легче потому что, у него лучше связь атома с электроном, чем уостальных элементов этой группы. И отдать труднее потому что, тоже связь сэлектрона с ядром на последнем слое сильней, чем у остальных элементов этойгруппы.
У кислорода ядро меньшечем у Li, Be, B, C, N, нобольше чем у F, потомучто число элекроных слоев у них одинаковы, а количество электронов на последнемслое разное. У кислорода электроны больше чем у Li, Be, B, C, N значит связь электронов с ядром большеи радиус меньше. У кислорода восстановительные свойства больше, чем у Li, Be, B, C, N и принять недостающийэлектрон ему легче, по меньше чем у фтора, которому принять недостающийэлектрон еще легче, чем кислороду.
Физические свойства аллотропных видоизменений кислорода.
Аллотпропнымвидоизменениям кислорода является озон. В отличии от бесцветного кислорода, неимеющего запаха, озон – это светло синий газ с сильным запахом. Озон в полторатяжелее кислорода, лучше его растворяется в воде. Как окислитель озона самовоспламеняющее горящие жидкости, например этан. При обычной температуре озонокисляет даже серебро. Поэтому дышать воздухом со значительным содержаниемозона нельзя, т.к. он разрушает ткани дыхательных путей.
Большая окислительнаяактивность озона объясняется его термической неустойчивостью. Он при комнатнойтемпературе медленно, но при 100-1500. С быстро разлагается накислород и атомарный О0, которой является чрезвычайно сильнымокислителем по с сравнению с кислородом, он мгновенно вступает в химическуюреакцию. В воздушной атмосфере над Землей на высоте около 25 километровнаходится озоновый слой, который защищает все живое от ультрофиалетовых лучей.
Получение кислорода
a) в лаборатории
Кислород в лабораторииполучают путем разложения пероксида водорода (H2O2) в присутствиикатализатора- диоксида марганца (MnO2), а также разложением перманганата калия (KMnO4) принагревание.
b) в промышленности
Так как горением в таком газеможно получить очень высокие температуры, полезные во многих… применениях, тобыть может, что придет время, когда указанным путем станут на заводах и вообщедля промышленности обогащать воздух кислородом.
Д.И. Менделеев
Попытки создать более или менее мощнуюкислородную промышленность предпринимались еще в прошлом веке в. многихстранах. Но от идеи до технического воплощения часто лежит «дистанция;огромного размера»...
В Советском Союзе особенно быстрое развитиекислородной промышленности началось в годы Великой Отечественной войны, послеизобретения академиком Л.П.Капицей турбодетандера и создания мощныхвоздухоразделительных 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 элементомхлораты и перхлораты. В любой школьной лаборатории демонстрируют опыт –разложение воды на кислород и водород электролизом. Но ни один из этих способовне может удовлетворить потребности промышленности в кислороде.
Энергетически проще всего получить элемент №8 извоздуха, поскольку воздух – не соединение, и разделить воздух не так уж трудно.Температуры кипения азота и кислорода отличаются (при атмосферном давлении) на12,8°C. Следовательно, жидкий воздух можно разделить на компоненты вректификационных колоннах так же, как делят, например, нефть. Но чтобыпревратить 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 обыкновенноговоздуха, последний нужно сжать, а затем дать ему расшириться и при этомзаставить его производить механическую работу. Тогда в соответствии с законамифизики воздух обязан охлаждаться. Машины, в которых это происходит, называютдетандерами.
До 1938г. для получения жидкого воздухапользовались только поршневыми детандерами. По существу, такой детандер – этоаналог паровой машины, только работает в нем не пар, а сжатый воздух. Чтобыполучить жидкий воздух с помощью таких детандеров, нужны были давления порядка200 атм., причем по неизбежным техническим причинам на разных стадияхпроцесса давление было не одинаковым: от 45 до 200 атм. КПД установки былнемногим выше, чем у паровой машины. Установка получилась сложной, громоздкой,дорогой.
В конце 30-х годов советский физик академикП.Л. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Идея – неновая, ее еще в конце прошлого века высказывал Дж. Рэлей, но к.п.д.«докапицынских» турбин для сжижения воздуха был невысок. Поэтому небольшиетурбодетандеры лишь выполняли кое-какую подсобную работу при поршневыхдетандерах.
Капица создал новую конструкцию, которая, пословам изобретателя, была «как бы компромиссом между водяной и паровойтурбиной». Главная особенность турбодетандера Капицы в том, что воздух в нейрасширяется не только в сопловом аппарате, но и на лопатках рабочего колеса.При этом газ движется от периферии колеса к центру, работая против центробежныхсил.
Такая конструкция турбины позволила поднятьк.п.д. установки с 0,5 до 0,8. И, кроме того, турбодетандер «делает» холод спомощью воздуха, сжатого всего лишь до нескольких атмосфер. Очевидно, что 6 атм.получить намного проще и дешевле, чем 200. Немаловажно для экономики и то, чтоэнергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, онаиспользуется для вращения ротора генератора электрического тока.
Современные установки для разделения воздуха, вкоторых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, преждевсего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода. Ониработают не только у нас, но и во всем мире.
Первый опытный образец турбодетандера былневелик. Его ротор восьми сантиметров в диаметре весил всего 250г. Но, какписал П.Л. Капица в 1939г., «экспериментальная эксплуатация этоготурбодетандера 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 болеемощную установку, которая производила до 200кг жидкого кислорода в час. В конце1944г. 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, вконструкции которого также использован турбодетандер, мог бы за сутки работыснабдить тремя литрами газообразного кислорода каждого жителя СССР.
30 апреля 1945 г. Михаил Иванович Калининподписал Указ о присвоении академику П. Л. Капице звания ГерояСоциалистического Труда «за успешную разработку нового турбинного методаполучения кислорода и за создание мощной турбо кислородной установки».
Химические свойства кислорода с позиции О/В реакции, особенности горенияорганических и не органических веществ, простых и сложных.
Реакции окисления,сопровождающиеся выделениям теплоты и света, называются горением. Расплавленнаясера горит в кислороде ярким синим пламенем, при этом образуется газ с резкимзапахом – диоксид серы, или оксид серы 4 (SO2). Запах, его мы ощущаем, когда зажигаем спички.
Внесенный в сосуд, скислородом горящий красный фосфор горит ослепительным пламенем с образованиемтвердого белого вещества – оксида фосфора 5 (P2O5)
При внесении в сосуд скислородом раскаленной стальной проволоки вы можете наблюдать горение железа,сопровождаемое треском и разбрызгиванием ярких искр–расплавленных капельжелезной окалины ( Fe5O4)
Это явление можно увидетьпри разливе жидкого чугуна и стали на металлургических заводах.
Большое практическоезначение имеют процессы горения сложных веществ, как, например: метан,ацетилена. В результате таких реакций получается оксиды элементов, входящих всостав сложного вещества. Например, схему реакции горения ацетилена можнозаписать так.
2 C2H2 + 5 O2 4 CO2 2H2O
Если экзотермическаяреакция окисления происходит медленно, то ее горение не называют. Так, медленноокисляются на воздухе многие металлы, покрываясь пленкой оксидов. Сравнительномедленно происходит в живом организме реакция окисления глюкозы – одного изосновных источников энергии в организме.
Само горение представляетсобой экзотермическую реакцию окисления, происходящею с достаточно небольшойскоростью.
Биологическое значение кислорода.
Высокая окислительнаяспособность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива.
Кислород участвует и впроцессах медленного окисления различных веществ при обычной температуре. Этипроцессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи внашем организме является источником энергии, за счет которой живет организм.Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способенобразовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре.Окисленный гемоглобин оксигемоглобин доставляет во все ткани и клетки организмакислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи),образуя при этом углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую длядеятельности организма.
Исключительно важна ролькислорода в процессе дыхания человека и животных. Растения также поглощаютатмосферный кислород. Но если в темноте идет только процесс поглощениярастениями кислорода, то на свету протекает еще один противоположный емупроцесс — фотосинтез, в результате которого растения поглощают углекислый гази выделяют кислород. Так как процесс фотосинтеза идет более интенсивно, то витоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают егопри дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняетсяблагодаря жизнедеятельности зеленых растений.
Применение кислорода.
Кислород применяют вметаллургической и химической промышленности для ускорения производственныхпроцессов. Так, замена воздушного дутья кислородным в доменном и сталеплавномпроизводстве на много ускоряет выплавку металла. Чистый кислород применяюттакже для получения высоких температур, на пример, при газовой сварке и резкеметаллов.
Его используют дляжизнеобеспечения на подводных и космических кораблях, при работах водолазов,пожарных.
В медицине кислородприменяют в случаях временного затруднения дыхания, связанного с некоторымизаболеваниями.
Творческое задание.
Список используемой литературы.
1.
2.
3.