Учебное пособие: Творческая работа по химии: кислород
МОУСОШ №112
Творческаяработа
по химии:
на тему:Кислород
Выполнил: ученик 97класса
Соложенцев Андрей
Проверила: учительницахимии
Кудрявцева НатальяМихайловна
Челябинск, 2003 г.
Содержание1.Открытие элемента кислород… 32.Нахождение кислорода в природе… 6а) в составе простыхвеществ… 6
в) в составе сложныхвеществ… 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.Физическиесвойства алотропных видоизменений в кислороде 11
6. Получениекислорода… 12
а) влаборатории… 12
в) впромышленности… 12
7. Химическиесвойства кислорода с позиции О.В. реакции, особенности реакции горения простыхи сложных… 16
8.Биологическое значение кислорода… 18
9. Применениекислорода… 19
10.Творческое задание… 20
11. Списокиспользованной литературы… 21
Открытие элемента кислорода
1августа 1774 года я попытался извлечь воздух из ртутной окалины и нашел, чтовоздух легко может быть изгнан из нее посредством линзы. Этот воздух непоглощался водой. Каково же было мое изумление, когда я обнаружил, что свечагорит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетно пытался я найтиобъяснение этому явлению.
Джозеф Пристли
То,что кислород невидим, безвкусен, лишен запаха, газообразен при обычныхусловиях, надолго задержало его открытие.
Многиеученые прошлого догадывались, что существует вещество со свойствами, которые,как мы теперь знаем, присущи кислороду.
Изобретательподводной лодки К. Дреббель еще в начале XVII в. выделил кислород, выяснилроль этого газа для дыхания и использовал его в своей подводной лодке. Ноработы Дреббеля практически не повлияли на развитие химии. Его изобретениеносило военный характер, и все, что было так или иначе связано с ним,постарались своевременно засекретить.
Кислородоткрыли почти одновременно два выдающихся химика второй половины XVIII в. шведКарл Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Шееле получил кислород раньше,но его трактат «О воздухе и огне», содержавший информацию о кислороде, былопубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли.
Ивсе-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 осталисьревностными защитниками теории флогистона! Теории некогда полезной, но к концуXVIII в. ставшей уже «кандалами на ногах науки».
ПозжеФридрих Энгельс напишет об этом: «Оба они так и не узнали, что оказалось у нихв руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал вих руках бесследно… Собственно открывшим кислород, поэтому остается Лавуазье,а не те двое, которые только описали кислород, даже не догадываясь, что ониописывают».
Великийфранцузский химик Антуан Лоран Лавуазье (тогда еще очень молодой) узнал окислороде от самого Пристли. Спустя два месяца после открытия«дефлогистонированного воздуха» Пристли приехал в Париж и подробно рассказал отом, как было сделано это открытие и из каких веществ (ртутная и свинцоваяокалины) новый «воздух» выделяется.
Довстречи с Пристли Лавуазье не знал, что в горении и дыхании принимает участиетолько часть воздуха. Теперь он по-новому поставил начатые двумя годами раньшеисследования горения. Для них характерен скрупулезный количественный подход:все, что можно, взвешивалось или как-либо иначе измерялось.
Лавуазьенаблюдал образование красных чешуек «ртутной окалины» и уменьшение объемавоздуха при нагревании ртути в запаянной реторте. В другой реторте, примениввысокотемпературный нагрев, он разложил полученные в предыдущем опыте 2,7 С «ртутной окалины» и получил 2,5 С ртути и 8 кубических дюймов тогосамого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором частьртути была превращена в окалину, было «потеряно» как раз 8 кубических дюймоввоздуха, а остаток его стал «азотом» – не жизненным, не поддерживающим нидыхания, ни горения. Газ, выделенный при разложении окалины, проявлялпротивоположные свойства, и потому Лавуазье вначале назвал его «жизненнымгазом». Лавуазье выяснил сущность горения. И надобность в флогистоне –«огненной материи», якобы выделяющейся при сгорании любых горючих, отпала.
Кислороднаятеория горения пришла на смену теории флогистона. За два века, прошедших современи открытия, теория Лавуазье не только не была опровергнута, но еще болееукрепилась.
Этоне значит, конечно, что об элементе №8 современной науке известно абсолютновсе.
Нахождение кислорода в природе
.
Кислород самый распространенный элемент на нашейпланете. Он входит в состав воды (88,9%), а ведь она покрывает 2/зповерхности земного шара, образуя его водную оболочку гидросферу. Кислородвторая по количеству и первая по значению для жизни составная часть воздушнойоболочки Земли атмосферы, где на его долю приходится 21% (по объему) и 23,15%(по массе). Кислород входит в состав многочисленных минералов твердой оболочкиземной коры литосферы: из каждых 100 атомов земной коры на долю кислородаприходится 58 атомов.
Как вы уже знаете, обычный кислород существует вформе О2. Это газ без цвета, запаха и вкуса. В жидком состоянииимеет светло-голубую окраску, в твердом синюю. В воде газообразный кислородрастворим лучше, чем азот и водород.
а) В составе простыхвеществ.
Кислород взаимодействует почти со всеми простымивеществами, кроме галогенов, благородных газов, золота и платиновых металлов.Например, энергично реагирует с металлами: щелочными, образуя оксиды М2Ои 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 Р2О5или 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) всоставе сложных веществ
Кислород энергично окисляет не только простые, но и сложныевещества, при этом образуется оксиды элементов, из которых они построены.
СН4 + 2О2 = 2Н2О + СО2
Метан2Н2S<sub/> + 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.
Положение в 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) />/>/>1 S2
2) />/>/>/>/>/>/>/>/>/>2S2 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 окисления равна –1. В соединениях со всеми другими электронами окислительность кислорода отрицательнаи равна – 2.
Сравнениеокислительно-восстановительных свойств и размера ядра кислорода с элементамистоящими 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, но больше чем у F, потому что число элекроных слоев у них одинаковы, а количествоэлектронов на последнем слое разное. У кислорода электроны больше чем у Li, Be, B, C, N значит связь электронов с ядромбольше и радиус меньше. У кислорода восстановительные свойства больше, чем у Li, Be, B, C, N и принять недостающий электронему легче, по меньше чем у фтора, которому принять недостающий электрон ещелегче, чем кислороду.
Физические свойствааллотропных 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.
Получениекислорода
a) в лаборатории
Кислород в лабораторииполучают 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 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
Попыткисоздать более или менее мощную кислородную промышленность предпринимались еще впрошлом веке в. многих странах. Но от идеи до технического воплощения частолежит «дистанция; огромного размера»...
ВСоветском Союзе особенно быстрое развитие кислородной промышленности началось вгоды Великой Отечественной войны, после изобретения академиком Л.П.Капицейтурбодетандера и создания мощных воздухоразделительных установок.
ЕщеКарл Шееле получал кислород, по меньшей мере, пятью способами: из окиси ртути,сурика, селитры, азотной кислоты и пиролюзита. На подводных лодках и сейчасполучают кислород, разлагая богатые этим элементом хлораты и перхлораты. Влюбой школьной лаборатории демонстрируют опыт – разложение воды на кислород иводород электролизом. Но ни один из этих способов не может удовлетворитьпотребности промышленности в кислороде.
Энергетическипроще всего получить элемент №8 из воздуха, поскольку воздух – не соединение, иразделить воздух не так уж трудно. Температуры кипения азота и кислородаотличаются (при атмосферном давлении) на 12,8°C. Следовательно, жидкий воздухможно разделить на компоненты в ректификационных колоннах так же, как делят,например, нефть. Но чтобы превратить воздух в жидкость, его нужно охладить доминус 196°C. Можно сказать, что проблема получения кислорода – это проблемаполучения холода.
Чтобыполучать холод с помощью обыкновенного воздуха, последний нужно сжать, а затемдать ему расшириться и при этом заставить его производить механическую работу.Тогда в соответствии с законами физики воздух обязан охлаждаться. Машины, вкоторых это происходит, называют детандерами.
До1938г. для получения жидкого воздуха пользовались только поршневымидетандерами. По существу, такой детандер – это аналог паровой машины, толькоработает в нем не пар, а сжатый воздух. Чтобы получить жидкий воздух с помощьютаких детандеров, нужны были давления порядка 200 атм., причем понеизбежным 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.
Вконце 30-х годов советский физик академик П.Л. Капица предложилиспользовать в качестве детандера турбину. Идея – не новая, ее еще в концепрошлого века высказывал Дж. Рэлей, но к.п.д. «докапицынских» турбин длясжижения воздуха был невысок. Поэтому небольшие турбодетандеры лишь выполняликое-какую подсобную работу при поршневых детандерах.
Капицасоздал новую конструкцию, которая, по словам изобретателя, была «как быкомпромиссом между водяной и паровой турбиной». Главная особенностьтурбодетандера Капицы в том, что воздух в ней расширяется не только в сопловомаппарате, но и на лопатках рабочего колеса. При этом газ движется от периферииколеса к центру, работая против центробежных сил.
Такаяконструкция турбины позволила поднять к.п.д. установки с 0,5 до 0,8. И, крометого, турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого всего лишь донескольких атмосфер. Очевидно, что 6 атм. получить намного проще идешевле, чем 200. Немаловажно для экономики и то, что энергия, которую отдаетрасширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращенияротора генератора электрического тока.
Современныеустановки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощьютурбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотнитысяч кубометров газообразного кислорода. Они работают не только у нас, но и вовсем мире.
Первыйопытный образец турбодетандера был невелик. Его ротор восьми сантиметров вдиаметре весил всего 250г. Но, как писал П.Л. Капица в 1939г.,«экспериментальная эксплуатация этого турбодетандера показала, что он являетсянадежным и очень простым механизмом. Технический к.п.д. получается 0,79...0,83».И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислородановым методом.
В1942г. построили подобную, но уже намного более мощную установку, котораяпроизводила до 200кг жидкого кислорода в час. В конце 1944г. вводится в строй самаямощная в мире турбо кислородная установка, производящая в 6...7 раз большежидкого кислорода, чем установка старого типа, и при этом занимающая в 3...4раза меньшую площадь.
Современныйблок разделения воздуха БР-2, в конструкции которого также использовантурбодетандер, мог бы за сутки работы снабдить тремя литрами газообразногокислорода каждого жителя СССР.
30апреля 1945 г. Михаил Иванович Калинин подписал Указ о присвоении академику П.Л. Капице звания Героя Социалистического Труда «за успешную разработку новоготурбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбо кислороднойустановки».
Химические свойствакислорода с позиции О/В реакции, особенности горения органических и неорганических 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.
Биологическоезначение 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.
Применениекислорода.
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.
Списокиспользуемой литературы.
1. Учебник за 9 класс по химии О.С. Габриелян.
2. Энциклопедия по химии.
3. Интернет <Популярная библиотека химических элементов>.