W temperaturze pokojowej aktywność chemiczna tlenu. Historia odkryć. Utlenianie

Właściwości chemiczne tlenu. Tlenki

Ten akapit mówi o:

> o reakcjach tlenu z prostymi i substancje złożone;
> o reakcjach złożonych;
> o związkach zwanych tlenkami.

Właściwości chemiczne każdej substancji przejawiają się w reakcje chemiczne z jego udziałem.

Tlen jest jednym z najbardziej aktywnych niemetali. Ale w normalnych warunkach reaguje z kilkoma substancjami. Jego reaktywność znacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Reakcje tlenu z substancjami prostymi.

Tlen z reguły reaguje po podgrzaniu z większością niemetali i prawie wszystkimi metalami.

Reakcja z węglem (węglem). Wiadomo, że węgiel podgrzany na powietrzu do wysokiej temperatury zapala się. Wskazuje to na reakcję chemiczną substancji z tlenem. Ciepło powstające podczas tego procesu wykorzystywane jest na przykład do ogrzewania domów na terenach wiejskich.

Głównym produktem spalania węgla jest dwutlenek węgla. Jego wzór chemiczny- CO2 . Węgiel jest mieszaniną wielu substancji. Udział masowy węgla w nim przekracza 80%. Zakładając, że węgiel składa się tylko z atomów węgla, zapisujemy odpowiednie równanie chemiczne:

T
C + O2 = CO2.

Węgiel tworzy proste substancje - grafit i diament. Mają potoczną nazwę - węgiel - i reagują z tlenem po podgrzaniu zgodnie z podanym równanie chemiczne 1 .

Reakcje, podczas których powstaje jedna substancja z kilku substancji, nazywane są reakcjami złożonymi.

Reakcja z siarką.

Ta przemiana chemiczna zachodzi, gdy wszyscy zapalają zapałkę; siarka jest częścią jego głowy. W laboratorium reakcję siarki z tlenem przeprowadza się pod wyciągiem. Niewielka ilość siarki ( jasnożółty proszek lub kryształki) podgrzewa się w żelaznej łyżce. Substancja najpierw topi się, następnie zapala się w wyniku interakcji z tlenem z powietrza i pali się ledwo zauważalnym niebieskim płomieniem (ryc. 56, b). Pojawia się ostry zapach produktu reakcji - dwutlenku siarki (ten zapach wyczuwamy w momencie zapalenia zapałki). Wzór chemiczny dwutlenek siarki to SO2, a równanie reakcji to
T
S + O 2 = SO 2.

Ryż. 56. Siarka (a) i jej spalanie w powietrzu (b) i tlenie (c)

1 W przypadku niedoboru tlenu powstaje kolejny związek węgla Tlen- tlenek węgla
T
CO: 2C + O2 = 2CO.

Ryż. 57. Fosfor czerwony (a) i jego spalanie w powietrzu (b) i tlenie (c)

Jeśli łyżkę z płonącą siarką umieścimy w naczyniu z tlenem, wówczas siarka będzie się palić jaśniejszym płomieniem niż w powietrzu (ryc. 56, c). Można to wytłumaczyć faktem, że w czystym tlenie jest więcej cząsteczek O 2 niż w powietrzu.

Reakcja z fosforem. Fosfor, podobnie jak siarka, pali się intensywniej w tlenie niż w powietrzu (ryc. 57). Produkt reakcji jest biały solidny- tlenek fosforu(\/) (jego małe cząsteczki tworzą dym):
T
P + O 2 -> P 2 0 5 .

Przekształć diagram reakcji na równanie chemiczne.

Reakcja z magnezem.

Wcześniej stosowano tę reakcję fotografowie w celu uzyskania jasnego oświetlenia („błysk magnezowy”) podczas robienia zdjęć. W laboratorium chemiczne Odpowiednie doświadczenie przeprowadza się w następujący sposób. Za pomocą metalowej pęsety weź pasek magnezu i podpal go w powietrzu. Magnez pali się olśniewającym białym płomieniem (ryc. 58, b); Nie możesz na niego patrzeć! W wyniku reakcji powstaje białe ciało stałe. Jest to związek magnezu z tlenem; jego nazwa to tlenek magnezu.

Ryż. 58. Magnez (a) i jego spalanie w powietrzu (b)

Napisz równanie reakcji magnezu z tlenem.

Reakcje tlenu z substancjami złożonymi. Tlen może wchodzić w interakcje z niektórymi związkami zawierającymi tlen. Na przykład tlenek węgla CO spala się w powietrzu, tworząc dwutlenek węgla:

T
2CO + O2 = 2C0 2.

Przeprowadzamy wiele reakcji tlenu ze złożonymi substancjami Życie codzienne, spalając gaz ziemny (metan), alkohol, drewno, papier, naftę itp. Podczas spalania powstaje dwutlenek węgla i para wodna:
T
CH 4 + 20 2 = CO 2 + 2H 2 O;
metan
T
C 2 H 5 OH + 30 2 = 2C0 2 + 3H 2 O.
alkohol

Tlenki.

Produkty wszystkich reakcji omówionych w tym akapicie są binarnymi związkami pierwiastków z tlenem.

Związek utworzony przez dwa pierwiastki, z których jednym jest tlen, nazywany jest tlenkiem.

Ogólny wzór tlenków to EnOm.

Każdy tlenek ma Nazwa chemiczna, a niektóre są również nazwami tradycyjnymi lub trywialnymi 1 (Tabela 4). Nazwa chemiczna tlenku składa się z dwóch słów. Pierwsze słowo to nazwa odpowiedniego pierwiastka, a drugie to słowo „tlenek”. Jeśli pierwiastek ma zmienną wartościowość, może tworzyć kilka tlenków. Ich nazwy powinny być inne. W tym celu po nazwie pierwiastka należy wskazać (bez wcięcia) cyframi rzymskimi w nawiasie wartość jego wartościowości w tlenku. Przykładem takiej nazwy związku jest tlenek miedzi (II) (wymawiane dwutlenek miedzi).

Tabela 4

1 Termin pochodzi od łacińskiego słowa trivialis – zwyczajny.

wnioski

Tlen jest substancją chemicznie aktywną. Oddziałuje z większością prostych substancji, a także z substancjami złożonymi. Produktami takich reakcji są związki pierwiastków z tlenem – tlenkami.

Reakcje, podczas których powstaje jedna substancja z kilku substancji, nazywane są reakcjami złożonymi.

?
135. Czym różnią się reakcje związków i rozkładu?

136. Przekształć schematy reakcji na równania chemiczne:

a) Li + O2 -> Li2O;
N2 + O2 -> NIE;

b) SO2 + O2 -> SO3;
CrO + O2 -> Cr2O3.

137. Spośród podanych wzorów wybierz te, które odpowiadają tlenkom:

O 2, NaOH, H 2 O, HCl, I 2 O 5, FeO.

138. Podaj nazwy chemiczne tlenków za pomocą następujących wzorów:

NIE, Ti 2 O 3, Cu 2 O, MnO 2, CI 2 O 7, V 2 O 5, CrO 3.

Należy pamiętać, że pierwiastki tworzące te tlenki mają zmienną wartościowość.

139. Zapisz wzory: a) tlenek ołowiu(I\/); b) tlenek chromu(III);
c) tlenek chloru(I); d) tlenek azotu(I\/); e) tlenek osmu(\/III).

140. Uzupełnij wzory prostych substancji na schematach reakcji i ułóż równania chemiczne:

a) ... + ... -> CaO;

b) NIE + ... -> NIE 2; ... + ... -> Jako 2 O 3 ; Mn 2 O 3 + ... -> MnO 2.

141. Napisz równania reakcji, za pomocą których można przeprowadzić takie „łańcuchy” przekształceń, tj. uzyskać drugą z pierwszej substancji, a trzecią z drugiej:

a) C -> CO -> CO2;
b) P -> P 2 0 3 -> P 2 0 5 ;
c) Cu -> Cu2O -> CuO.

142.. Zapisz równania reakcji zachodzących podczas spalania acetonu (CH 3) 2 CO i eteru (C 2 H 5) 2 O. Produktami każdej reakcji są dwutlenek węgla i woda.

143. Udział masowy tlenu w tlenku EO 2 wynosi 26%. Zidentyfikuj element E.

144. Dwie kolby napełnia się tlenem. Po ich zamknięciu w jednej kolbie spalono nadmiar magnezu, a w drugiej nadmiar siarki. W której kolbie powstała próżnia? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Popel P. P., Kryklya L. S., Chemia: Pidruch. dla 7 klasy zagalnosvit. navch. zamknięcie - K.: VC "Akademia", 2008. - 136 s.: il.

Treść lekcji konspekt lekcji i prezentacja lekcji w ramce pomocniczej technologie interaktywne akceleracyjne metody nauczania Ćwiczyć testy, testowanie zadań i ćwiczeń online, prace domowe, warsztaty i szkolenia, pytania do dyskusji na zajęciach Ilustracje materiały wideo i audio fotografie, obrazy, wykresy, tabele, diagramy, komiksy, przypowieści, powiedzenia, krzyżówki, anegdoty, dowcipy, cytaty Dodatki streszczenia ściągawki wskazówki dla ciekawych artykułów (MAN) literatura podstawowy i dodatkowy słownik terminów Udoskonalanie podręczników i lekcji poprawianie błędów w podręczniku, zastąpienie przestarzałej wiedzy nową Tylko dla nauczycieli plany kalendarza programy nauczania wytyczne

Treść artykułu

TLEN, O (tlen), pierwiastek chemiczny podgrupy VIA układu okresowego pierwiastków: O, S, Se, Te, Po – członek rodziny chalkogenów. Jest to najpowszechniejszy pierwiastek w przyrodzie, jego zawartość w atmosferze ziemskiej wynosi 21% (obj.), w skorupa Ziemska w formie połączeń ok. 50% (w masie), a w hydrosferze 88,8% (w masie).

Tlen jest niezbędny do istnienia życia na ziemi: zwierzęta i rośliny zużywają tlen podczas oddychania, a rośliny uwalniają tlen w procesie fotosyntezy. Materia żywa zawiera związany tlen nie tylko w płynach ustrojowych (w komórkach krwi itp.), ale także w węglowodanach (cukier, celuloza, skrobia, glikogen), tłuszczach i białkach. Gliny i skały składają się z krzemianów i innych związków nieorganicznych zawierających tlen, takich jak tlenki, wodorotlenki, węglany, siarczany i azotany.

Odniesienie historyczne.

Pierwsze informacje o tlenie stały się znane w Europie z chińskich rękopisów z VIII wieku. Na początku XVI wieku. Leonardo da Vinci opublikował dane dotyczące chemii tlenu, nie wiedząc jeszcze, że tlen jest pierwiastkiem. Reakcje addycji tlenu opisano w prace naukowe S. Geilsa (1731) i P. Bayena (1774). Na szczególną uwagę zasługują badania K. Scheele z lat 1771–1773 dotyczące oddziaływania metali i fosforu z tlenem. J. Priestley doniósł o odkryciu tlenu jako pierwiastka w 1774 r., kilka miesięcy po raporcie Bayena o reakcjach z powietrzem. Nazwę tlen („tlen”) nadano temu pierwiastkowi wkrótce po jego odkryciu przez Priestleya i pochodzi ona od greckich słów oznaczających „wytwarzający kwas”; wynika to z błędnego przekonania, że tlen jest obecny we wszystkich kwasach. Wyjaśnienie roli tlenu w procesach oddychania i spalania należy natomiast do A. Lavoisiera (1777).

Struktura atomu.

Każdy naturalnie występujący atom tlenu zawiera 8 protonów w jądrze, ale liczba neutronów może wynosić 8, 9 lub 10. Najczęstszym z trzech izotopów tlenu (99,76%) jest 16 8 O (8 protonów i 8 neutronów) . Zawartość innego izotopu, 18 8 O (8 protonów i 10 neutronów), wynosi tylko 0,2%. Izotop ten służy jako znacznik lub do identyfikacji niektórych cząsteczek, a także do prowadzenia badań biochemicznych i medyczno-chemicznych (metoda badania śladów nieradioaktywnych). Trzeci nieradioaktywny izotop tlenu 17 8 O (0,04%) zawiera 9 neutronów i ma liczbę masową 17. Po przyjęciu przez Międzynarodową Komisję masy izotopu węgla 12 6 C jako standardowej masy atomowej w 1961 r. Średnia ważona masa atomowa tlen stał się równy 15,9994. Do 1961 roku chemicy uważali, że standardową jednostką masy atomowej jest masa atomowa tlenu, przyjmowana jako 16 000 dla mieszaniny trzech naturalnie występujących izotopów tlenu. Fizycy przyjęli liczbę masową izotopu tlenu 16 8 O jako standardową jednostkę masy atomowej, więc w skali fizycznej średnia masa atomowa tlenu wynosiła 16,0044.

Atom tlenu ma 8 elektronów, z czego 2 elektrony na poziomie wewnętrznym i 6 elektronów na poziomie zewnętrznym. Dlatego w reakcjach chemicznych tlen może przyjąć do dwóch elektronów od dawców, budując swoją zewnętrzną powłokę do 8 elektronów i tworząc nadmierny ładunek ujemny.

Tlen cząsteczkowy.

Podobnie jak większość innych pierwiastków, których atomom brakuje 1–2 elektronów do uzupełnienia zewnętrznej powłoki składającej się z 8 elektronów, tlen tworzy cząsteczkę dwuatomową. Proces ten uwalnia dużo energii (~490 kJ/mol) i dlatego taką samą ilość energii należy wydać na odwrotny proces dysocjacji cząsteczki na atomy. Siła wiązania O–O jest tak duża, że w temperaturze 2300°C tylko 1% cząsteczek tlenu dysocjuje na atomy. (Warto zauważyć, że podczas tworzenia cząsteczki azotu N2 siła wiązania N–N jest jeszcze większa i wynosi ~710 kJ/mol.)

Struktura elektronowa.

W struktura elektroniczna cząsteczka tlenu nie realizuje, jak można by się spodziewać, rozkładu elektronów w oktecie wokół każdego atomu, ale występują tam elektrony niesparowane, a tlen wykazuje właściwości typowe dla takiej struktury (np. oddziałuje z pole magnetyczne, jest paramagnetyczny).

Reakcje.

W odpowiednich warunkach tlen cząsteczkowy reaguje z prawie każdym pierwiastkiem z wyjątkiem gazów szlachetnych. Jednak w warunkach pokojowych tylko najbardziej aktywne pierwiastki reagują z tlenem wystarczająco szybko. Jest prawdopodobne, że większość reakcji zachodzi dopiero po dysocjacji tlenu na atomy, a dysocjacja zachodzi tylko w bardzo wysokich temperaturach. Jednakże katalizatory lub inne substancje w układzie reagującym mogą sprzyjać dysocjacji O2. Wiadomo, że metale alkaliczne (Li, Na, K) i ziem alkalicznych (Ca, Sr, Ba) reagują z tlenem cząsteczkowym, tworząc nadtlenki:

Odbiór i wniosek.

Ze względu na obecność wolnego tlenu w atmosferze jak najbardziej skuteczna metoda jego ekstrakcja polega na upłynnieniu powietrza, z którego usuwane są zanieczyszczenia, CO 2, pył itp. metody chemiczne i fizyczne. Proces cykliczny obejmuje sprężanie, chłodzenie i rozprężanie, co prowadzi do upłynnienia powietrza. Przy powolnym wzroście temperatury (metoda destylacji frakcyjnej) z ciekłego powietrza odparowują najpierw gazy szlachetne (najtrudniejsze do skroplenia), następnie pozostaje azot i ciekły tlen. W rezultacie ciekły tlen zawiera śladowe ilości gazów szlachetnych i stosunkowo duży procent azotu. W wielu zastosowaniach te zanieczyszczenia nie stanowią problemu. Aby jednak uzyskać tlen o ekstremalnej czystości, proces destylacji należy powtórzyć. Tlen magazynowany jest w zbiornikach i butlach. Jest stosowany w dużych ilościach jako utleniacz nafty i innych paliw w rakietach i statkach kosmicznych. Przemysł stalowy wykorzystuje gazowy tlen do przedmuchu roztopionego żelaza metodą Bessemera, aby szybko i skutecznie usunąć zanieczyszczenia C, S i P. Podmuch tlenowy pozwala uzyskać stal szybciej i o wyższej jakości niż podmuch powietrza. Tlen wykorzystuje się także do spawania i cięcia metali (płomień tlenowo-acetylenowy). Tlen wykorzystuje się także w medycynie, na przykład do wzbogacania środowiska oddechowego pacjentów mających trudności z oddychaniem. Tlen można pozyskać na różne sposoby metody chemiczne, a niektóre z nich służą do otrzymywania niewielkich ilości czystego tlenu w praktyce laboratoryjnej.

Elektroliza.

Jedną z metod wytwarzania tlenu jest elektroliza wody zawierającej niewielkie dodatki NaOH lub H 2 SO 4 jako katalizatora: 2H 2 O ® 2H 2 + O 2. W takim przypadku tworzą się małe zanieczyszczenia wodorowe. Za pomocą urządzenia wyładowczego ślady wodoru w mieszaninie gazów są ponownie przekształcane w wodę, której pary są usuwane przez zamrażanie lub adsorpcję.

Dysocjacja termiczna.

Ważną laboratoryjną metodą wytwarzania tlenu, zaproponowaną przez J. Priestleya, jest rozkład termiczny tlenków metali ciężkich: 2HgO ® 2Hg + O 2 . Aby to zrobić, Priestley skupił promienie słoneczne na proszku tlenku rtęci. Słynny metoda laboratoryjna to także dysocjacja termiczna soli okso, np. chloranu potasu, w obecności katalizatora – dwutlenku manganu:

Dwutlenek manganu dodany w niewielkich ilościach przed kalcynacją pozwala na utrzymanie wymaganej temperatury i szybkości dysocjacji, a sam MnO 2 nie ulega zmianom w trakcie procesu.

Stosowane są również metody termicznego rozkładu azotanów:

a także nadtlenki niektórych metali aktywnych, na przykład:

2BaO 2 ® 2BaO + O 2

Ta ostatnia metoda była swego czasu powszechnie stosowana do ekstrakcji tlenu z atmosfery i polegała na ogrzewaniu BaO w powietrzu aż do powstania BaO2, a następnie na termicznym rozkładzie nadtlenku. Metoda rozkładu termicznego pozostaje ważna dla produkcji nadtlenku wodoru.

NIEKTÓRE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE TLENU
Liczba atomowa	8
Masa atomowa	15,9994
Temperatura topnienia, °C	–218,4
Temperatura wrzenia, °C	–183,0
Gęstość
twardy, g/cm 3 (at T pl)	1,27
ciecz g/cm 3 (at T wyrko)	1,14
gazowy, g/dm 3 (w 0° C)	1,429
względny powietrze	1,105
krytyczny a, g/cm 3	0,430
Temperatura krytyczna a, °C	–118,8
Ciśnienie krytyczne a, atm	49,7
Rozpuszczalność, cm 3 /100 ml rozpuszczalnika
w wodzie (0°C)	4,89
w wodzie (100°C)	1,7
w alkoholu (25°C)	2,78
Promień, Å	0,74
kowalencyjny	0,66
jonowy (O 2–)	1,40
Potencjał jonizacji, V
Pierwszy	13,614
drugi	35,146
Elektroujemność (F=4)	3,5
a Temperatura i ciśnienie, przy których gęstość gazu i cieczy jest taka sama.

Właściwości fizyczne.

Tlen w normalnych warunkach jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i pozbawionym smaku. Ciekły tlen ma bladoniebieski kolor. Stały tlen występuje w co najmniej trzech odmianach krystalicznych. Gazowy tlen jest rozpuszczalny w wodzie i prawdopodobnie tworzy słabe związki, takie jak O2HH2O i prawdopodobnie O2H2H2O.

Właściwości chemiczne.

Jak już wspomniano, aktywność chemiczna tlenu zależy od jego zdolności do dysocjacji na atomy O, które są wysoce reaktywne. Tylko najbardziej aktywne metale i minerały reagują z O 2 z dużą szybkością niskie temperatury. Najbardziej aktywne metale alkaliczne (podgrupy IA) i niektóre metale ziem alkalicznych (podgrupy IIA) tworzą nadtlenki, takie jak NaO2 i BaO2 z O2. Pozostałe pierwiastki i związki reagują jedynie z produktem dysocjacji O2. W odpowiednich warunkach wszystkie pierwiastki, z wyjątkiem gazów szlachetnych i metali Pt, Ag, Au, reagują z tlenem. Metale te również tworzą tlenki, ale kiedy specjalne warunki.

Struktura elektronowa tlenu (1s 2 2s 2 2p 4) jest taka, że atom O tworzy stabilną warstwę zewnętrzną powłoka elektronowa dwa elektrony na poziom zewnętrzny, tworząc jon O 2–. W tlenkach metale alkaliczne powstaje głównie wiązanie jonowe. Można założyć, że elektrony tych metali są prawie w całości przyciągane do tlenu. W tlenkach mniej aktywnych metali i niemetali przeniesienie elektronów jest niepełne, a ujemna gęstość ładunku na tlenie jest mniej wyraźna, więc wiązanie jest mniej jonowe lub bardziej kowalencyjne.

Podczas utleniania metali tlenem wydziela się ciepło, którego wielkość koreluje z siłą wiązania M – O. Podczas utleniania niektórych niemetali następuje absorpcja ciepła, co świadczy o ich słabszych wiązaniach z tlenem. Takie tlenki są niestabilne termicznie (lub mniej stabilne niż tlenki z wiązaniami jonowymi) i często są wysoce reaktywne. W tabeli przedstawiono dla porównania entalpie tworzenia tlenków najbardziej typowych metali, metale przejściowe i niemetale, pierwiastki podgrup A i B (znak minus oznacza wydzielanie ciepła).

Można wyciągnąć kilka ogólnych wniosków na temat właściwości tlenków:

1. Temperatury topnienia tlenków metali alkalicznych maleją wraz ze wzrostem promienia atomowego metalu; Więc, T pl (Cs 2 O) t pl (Na 2 O). Tlenki, w których przeważają wiązania jonowe, mają wyższe temperatury topnienia niż temperatury topnienia tlenków kowalencyjnych: T pl (Na 2O) > T pl (SO 2).

2. Tlenki metali reaktywnych (podgrupy IA – IIIA) są bardziej stabilne termicznie niż tlenki metali przejściowych i niemetali. Tlenki metali ciężkich na najwyższym stopniu utlenienia po dysocjacji termicznej tworzą tlenki o niższych stopniach utlenienia (na przykład 2Hg 2+ O ® (Hg +) 2 O + 0,5O 2 ® 2Hg 0 + O 2). Takie tlenki na wysokich stopniach utlenienia mogą być dobrymi utleniaczami.

3. Najbardziej aktywne metale reagują z tlenem cząsteczkowym w podwyższonych temperaturach, tworząc nadtlenki:

Sr + O 2 ® SrO 2 .

4. Tlenki metali aktywnych tworzą roztwory bezbarwne, natomiast tlenki większości metali przejściowych są barwne i praktycznie nierozpuszczalne. Wodne roztwory tlenków metali wykazują właściwości zasadowe i są wodorotlenkami zawierającymi grupy OH, a tlenki niemetali w roztworach wodnych tworzą kwasy zawierające jon H+.

5. Metale i niemetale podgrup A tworzą tlenki o stopniu utlenienia odpowiadającym numerowi grupy, na przykład Na, Be i B tworzą Na 1 2 O, Be II O i B 2 III O 3 oraz nie- metale IVA–VIIA podgrup C, N , S, Cl forma C IV O 2, N V 2 O 5, S VI O 3, Cl VII 2 O 7. Numer grupowy pierwiastka koreluje tylko z maksymalnym stopniem utlenienia, ponieważ możliwe są tlenki o niższych stopniach utlenienia pierwiastków. W procesach spalania związków typowymi produktami są tlenki, np.:

2H 2 S + 3O 2 ® 2SO 2 + 2H 2 O

Substancje zawierające węgiel i węglowodory po lekkim podgrzaniu utleniają się (spalają) do CO 2 i H 2 O. Przykładami takich substancji są paliwa - drewno, olej, alkohole (a także węgiel - węgiel, koks i węgiel drzewny). Ciepło powstałe w procesie spalania wykorzystywane jest do produkcji pary (a następnie energii elektrycznej lub trafia do elektrowni), a także do ogrzewania domów. Typowe równania procesów spalania to:

a) drewno (celuloza):

(C6H10O5) N + 6N O 2 ® 6 N CO2+5 N H 2 O + energia cieplna

b) ropa lub gaz (benzyna C 8 H 18 lub gaz ziemny CH 4):

2C 8 H 18 + 25O 2 ® 16CO 2 + 18H 2 O + energia cieplna

CH 4 + 2O 2 ® CO 2 + 2H 2 O + energia cieplna

C 2 H 5 OH + 3O 2 ® 2CO 2 + 3H 2 O + energia cieplna

d) węgiel (węgiel lub węgiel drzewny, koks):

2C + O 2 ® 2CO + energia cieplna

2CO + O 2 ® 2CO 2 + energia cieplna

Spalaniu ulega także szereg związków zawierających C, H, N, O, posiadających dużą rezerwę energii. Tlen do utleniania można wykorzystywać nie tylko z atmosfery (jak w poprzednich reakcjach), ale także z samej substancji. Aby zainicjować reakcję, wystarczy niewielka aktywacja reakcji, taka jak uderzenie lub potrząśnięcie. W tych reakcjach produktami spalania są również tlenki, ale wszystkie są gazowe i szybko rozszerzają się w wysokiej temperaturze końcowej procesu. Dlatego takie substancje są wybuchowe. Przykładami materiałów wybuchowych są trinitrogliceryna (lub nitrogliceryna) C 3 H 5 (NO 3) 3 i trinitrotoluen (lub TNT) C 7 H 5 (NO 2) 3.

Tlenki metali lub niemetali o niższych stopniach utlenienia pierwiastka reagują z tlenem, tworząc tlenki wysokie stopnie utlenianie tego pierwiastka:

Naturalne tlenki otrzymywane z rud lub syntetyzowane służą jako surowce do produkcji wielu ważnych metali, na przykład żelaza z Fe 2 O 3 (hematyt) i Fe 3 O 4 (magnetyt), aluminium z Al 2 O 3 (tlenek glinu ), magnez z MgO (magnezja). Tlenki metali lekkich wykorzystywane są w przemyśle chemicznym do produkcji zasad lub zasad. Nadtlenek potasu KO 2 ma niezwykłe zastosowanie, gdyż w obecności wilgoci i w wyniku reakcji z nią wydziela tlen. Dlatego KO 2 stosuje się w respiratorach do produkcji tlenu. Wilgoć z wydychanego powietrza uwalnia tlen w respiratorze, a KOH pochłania CO2. Produkcja tlenku CaO i wodorotlenku wapnia Ca(OH) 2 – produkcja na dużą skalę w technologii ceramicznej i cementowej.

Woda (tlenek wodoru).

Znaczenie wody H 2 O zarówno w praktyce laboratoryjnej dla reakcji chemicznych, jak i procesów życiowych wymaga szczególnego rozważenia tej substancji WODA, LÓD I PARA). Jak już wspomniano, podczas bezpośredniego oddziaływania tlenu i wodoru w określonych warunkach dochodzi np. do wyładowania iskrowego, eksplozji i tworzenia się wody, w wyniku czego uwalnia się 143 kJ/(mol H 2 O).

Cząsteczka wody ma budowę niemal czworościenną, kąt H–O–H wynosi 104° 30°. Wiązania w cząsteczce są częściowo jonowe (30%) i częściowo kowalencyjne z dużą gęstością ładunku ujemnego na tlenie i odpowiednio ładunków dodatnich na wodorze:

Ze względu na dużą siłę wiązań H – O, wodór trudno jest oddzielić od tlenu, a woda jest bardzo słaba właściwości kwasowe. Wiele właściwości wody zależy od rozkładu ładunków. Na przykład cząsteczka wody tworzy hydrat z jonem metalu:

Woda oddaje jedną parę elektronów akceptorowi, którym może być H+:

Oksoaniony i oksokacje

– cząstki zawierające tlen posiadające resztkowy ładunek ujemny (oksoaniony) lub resztkowy dodatni (oksokacje). Jon O 2– ma wysokie powinowactwo (wysokie reaktywność) do dodatnio naładowanych cząstek typu H+. Najprostszym przedstawicielem stabilnych oksoanionów jest jon wodorotlenkowy OH –. Wyjaśnia to niestabilność atomów o dużej gęstości ładunku i ich częściową stabilizację w wyniku dodania cząstki o ładunku dodatnim. Dlatego też, gdy aktywny metal (lub jego tlenek) działa na wodę, powstaje OH–, a nie O 2–:

2Na + 2H 2 O ® 2Na + + 2OH – + H 2

Na 2 O + H 2 O ® 2Na + + 2OH –

Bardziej złożone oksoaniony powstają z tlenu z jonem metalu lub cząstką niemetaliczną, która ma duży ładunek dodatni, w wyniku czego cząstka o niskim ładunku jest bardziej stabilna, na przykład:

°C tworzy się ciemnofioletowa faza stała. Ciekły ozon jest słabo rozpuszczalny w ciekłym tlenie, a 49 cm 3 O 3 rozpuszcza się w 100 g wody o temperaturze 0 ° C. Pod względem właściwości chemicznych ozon jest znacznie bardziej aktywny niż tlen i ustępuje jedynie O, F 2 i OF 2 (difluorkowi tlenu) pod względem właściwości utleniających. Podczas normalnego utleniania powstają tlenek i tlen cząsteczkowy O2. Kiedy ozon działa na metale aktywne w specjalnych warunkach, powstają ozonki o składzie K + O 3. Ozon produkowany jest przemysłowo do celów specjalnych, jest dobrym środkiem dezynfekującym, stosowanym do oczyszczania wody i wybielacza, poprawiającym stan atmosfery w układach zamkniętych, dezynfekującym przedmioty i żywność, przyspieszającym dojrzewanie zbóż i owoców. W laboratorium chemicznym często stosuje się ozonizator do produkcji ozonu potrzebnego w niektórych metodach. Analiza chemiczna i synteza. Guma łatwo ulega zniszczeniu nawet pod wpływem niskiego stężenia ozonu. W niektórych miastach przemysłowych znaczne stężenia ozonu w powietrzu prowadzą do szybkiego niszczenia wyrobów gumowych, jeśli nie są chronione przeciwutleniaczami. Ozon jest bardzo toksyczny. Ciągłe wdychanie powietrza, nawet przy bardzo niskim stężeniu ozonu, powoduje bóle głowy, nudności i inne nieprzyjemne stany.

Tlen charakteryzuje się dużą aktywnością chemiczną. Wiele substancji reaguje z tlenem w temperaturze pokojowej. Na przykład świeży plaster jabłka szybko nabiera brązowego koloru, co następuje w wyniku reakcji chemicznych pomiędzy substancjami organicznymi zawartymi w jabłku a tlenem zawartym w powietrzu. Tlen zwykle reaguje z prostymi substancjami po podgrzaniu. Do metalowej łyżki do spalania substancji włóż węgiel, rozgrzej go do czerwoności w płomieniu lampy spirytusowej i opuść do naczynia z tlenem. Obserwujemy jasne spalanie węgla w tlenie. Węgiel jest prostą substancją utworzoną z pierwiastka węgiel. W wyniku reakcji tlenu z węglem powstaje dwutlenek węgla:

Warto zaznaczyć, że wiele substancji chemicznych ma banalne nazwy. Dwutlenek węgla to trywialna nazwa substancji. Banalne nazwy substancji są używane w życiu codziennym, wiele z nich ma starożytne pochodzenie. Na przykład soda oczyszczona, sól bertholet. Jednak każda substancja chemiczna ma również systematyczną nazwę chemiczną, której zestawienie regulują zasady międzynarodowe - systematyczna nomenklatura chemiczna.

Zatem dwutlenek węgla ma nazwę systematyczną tlenek węgla (IV).

Dwutlenek węgla jest substancją złożoną, związkiem binarnym zawierającym tlen. Do łyżki do spalania substancji włóż siarkę i podgrzej ją. Siarka topi się, a następnie zapala. W powietrzu siarka pali się bladym, prawie niezauważalnym, niebieskim płomieniem. Dodajmy siarkę do naczynia z tlenem - siarka pali się jasnoniebieskim płomieniem. W wyniku reakcji siarki z tlenem powstaje dwutlenek siarki:

Dwutlenek siarki, podobnie jak dwutlenek węgla, należy do grupy tlenków. To jest tlenek siarki(IV) to bezbarwny gaz o ostrym, ostrym zapachu. Dodajmy teraz zapalony czerwony fosfor do naczynia z tlenem. Fosfor pali się jasnym, oślepiającym płomieniem. Statek wypełnia się białym dymem. Biały dym jest produktem reakcji, małymi cząstkami stałymi Tlenek fosforu (V):

4P + 5O2 = 2P2O5

Nie tylko niemetale mogą spalać się w tlenie. Metale reagują również energicznie z tlenem. Na przykład magnez spala się w tlenie i powietrzu oślepiającym białym płomieniem. Produkt reakcji – tlenek magnezu:

2Mg + O2 = 2MgO

Spróbujmy spalić żelazo w tlenie. Podgrzej stalowy drut w płomieniu lampy alkoholowej i szybko opuść go do naczynia z tlenem. Żelazo spala się w tlenie, wytwarzając wiele iskier. Substancja otrzymana w wyniku reakcji nazywa się tlenkiem żelaza:

3Fe + 2O2 = Fe3O4.

Snopy iskier powstające podczas spalania brylantu można wytłumaczyć spalaniem proszku żelaza, który jest częścią tych produktów pirotechnicznych. Po rozważeniu reakcji można wyciągnąć ważne wnioski: tlen reaguje zarówno z metalami, jak i niemetalami; Często reakcjom tym towarzyszy spalanie substancji. Produkty reakcji tlenu z substancjami prostymi to tlenki. Należy pamiętać, że gdy tlen oddziałuje z prostymi substancjami - metalami i niemetalami - powstają substancje złożone - tlenki. Ten rodzaj reakcji chemicznej nazywa się reakcje złożone.

Reakcja złożona - reakcja, w wyniku której z dwóch lub więcej mniej złożonych substancji powstają bardziej złożone substancje

Oddziaływanie tlenu z substancjami złożonymi

Tlen może również reagować z substancjami złożonymi. Jako przykład rozważ reakcję zachodzącą podczas spalania gazu domowego, na którą składa się metan CH4. Na podstawie spalania metanu w palniku pieca można stwierdzić, że reakcja przebiega z wydzieleniem energii w postaci ciepła i światła. Jakie są produkty tej reakcji?

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O.

Produktami reakcji są tlenki: dwutlenek węgla (tlenek węgla (IV)) i woda (tlenek wodoru). W wyniku reakcji tlenu z minerałem pirytem FeS2 (ważnym minerałem żelaza i siarki) powstają tlenki siarki i żelaza. Reakcja zachodzi po podgrzaniu:

4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3

Utlenianie – spalanie i powolne utlenianie

Spalanie- To pierwsza reakcja chemiczna, z którą zapoznał się człowiek. Ogień... Czy można sobie wyobrazić nasze istnienie bez ognia? Wszedł w nasze życie i stał się z nim nierozerwalnie związany. Bez ognia człowiek nie może ugotować jedzenia ani stali, bez niego transport jest niemożliwy. Ogień stał się naszym przyjacielem i sojusznikiem, symbolem chwalebnych czynów, dobrych uczynków i pamięci o przeszłości.

Z chemicznego punktu widzenia spalanie to reakcja chemiczna, której towarzyszy wyzwolenie strumienia gorących gazów oraz energii w postaci ciepła i światła. Można powiedzieć, że tlen, reagując z prostymi substancjami, utlenia je:

Substancja prosta + Utlenianie tlenu → Produkty utleniania (tlenki) + Energia.

Utlenianiu substancji nie może towarzyszyć spalanie, czyli wyzwolenie płomienia. Takie procesy nazywane są powolnym utlenianiem. Powolne utlenianie to proces stopniowej interakcji substancji z tlenem, z powolnym uwalnianiem ciepła, któremu nie towarzyszy spalanie. Na przykład dwutlenek węgla powstaje nie tylko podczas spalania węgla w tlenie, ale także podczas powolnego utleniania materia organiczna tlen w powietrzu (gnicie, rozkład).

Podsumowanie artykułu:

W reakcji prostych substancji z tlenem powstają tlenki
Reakcje prostych substancji z tlenem zwykle zachodzą po podgrzaniu
Reakcje prostych substancji z tlenem są reakcjami złożonymi
Banalne nazwy substancji chemicznych nie odzwierciedlają składu chemicznego substancji, są stosowane w codziennej praktyce, wiele z nich rozwinęło się historycznie
Nazwy systematyczne substancji chemicznych odzwierciedlają skład chemiczny substancji i odpowiadają międzynarodowej nomenklaturze systematycznej
Reakcja złożona to reakcja, w wyniku której z dwóch lub więcej substancji mniej złożonych powstają substancje bardziej złożone.
Tlen może reagować ze złożonymi substancjami
Spalanie to reakcja chemiczna, której towarzyszy uwolnienie energii w postaci ciepła i światła
Powolne utlenianie to proces stopniowej interakcji substancji z tlenem, z powolnym uwalnianiem ciepła, któremu nie towarzyszy spalanie

Procesy spalania i oddychania od dawna przyciągają uwagę naukowców. Pierwsze wzmianki o tym, że nie całe powietrze, a jedynie jego „aktywna” część sprzyja spalaniu, znaleziono w chińskich rękopisach z VIII wieku. Znacznie później Leonardo da Vinci (1452-1519) uznał powietrze za mieszaninę dwóch gazów, z których tylko jeden jest zużywany podczas spalania i oddychania. Ostateczne odkrycie dwóch głównych składników powietrza – azotu i tlenu, które zapoczątkowało epokę w nauce, nastąpiło dopiero pod koniec XVIII wieku. Tlen otrzymywał niemal równocześnie K. Scheele (1769-70) poprzez kalcynację saletry (KNO 3, NaNO 3), dwutlenku manganu MnO 2 i innych substancji oraz J. Priestley (1774) poprzez ogrzewanie czerwonego ołowiu Pb 3 O 4 i tlenku rtęci HgO. W 1772 r. D. Rutherford odkrył azot. W 1775 r. A. Lavoisier po przeprowadzeniu analizy ilościowej powietrza stwierdził, że „składa się ono z dwóch (gazów) o różnej i, że tak powiem, przeciwnej naturze”, to znaczy z tlenu i azotu. Na podstawie szeroko zakrojonych badań eksperymentalnych Lavoisier poprawnie wyjaśnił spalanie i oddychanie jako procesy interakcji substancji z tlenem. Ponieważ tlen jest częścią kwasów, Lavoisier nazwał go tlenem, czyli „kwasotwórczym” (od greckich oxys - kwaśny i gennao - rodzę; stąd Imię rosyjskie"tlen").

Rozkład tlenu w przyrodzie. Tlen jest najpowszechniejszym pierwiastkiem chemicznym na Ziemi. Związany tlen stanowi około 6/7 masy powłoki wodnej Ziemi – hydrosfery (85,82% masy), prawie połowę litosfery (47% masy) i tylko w atmosferze, gdzie tlen występuje w postaci wolnej stanu, zajmuje drugie miejsce (23,15% wag.) po azocie.

Tlen zajmuje również pierwsze miejsce pod względem liczby minerałów, które tworzy (1364); Wśród minerałów zawierających tlen dominują krzemiany (skalenie, miki i inne), kwarc, tlenki, węglany i siarczany żelaza. Organizmy żywe zawierają średnio około 70% tlenu; wchodzi w skład większości najważniejszych związków organicznych (białek, tłuszczów, węglowodanów itp.) oraz w składzie związków nieorganicznych szkieletu. Rola wolnego tlenu jest niezwykle istotna w procesach biochemicznych i fizjologicznych, zwłaszcza w oddychaniu. Z wyjątkiem niektórych mikroorganizmów beztlenowych, wszystkie zwierzęta i rośliny pozyskują energię niezbędną do życia poprzez biologiczne utlenianie różnych substancji za pomocą tlenu.

Cała masa wolnego tlenu na Ziemi powstała i jest zachowana dzięki żywotnej aktywności roślin zielonych na lądzie i w Oceanie Światowym, które uwalniają tlen w procesie fotosyntezy. Na powierzchni ziemi, gdzie zachodzi fotosynteza i dominuje wolny tlen, tworzą się warunki ostro utleniające. Przeciwnie, w magmie, a także w głębokich horyzontach wód gruntowych, w mułach mórz i jezior, na bagnach, gdzie nie ma wolnego tlenu, powstaje środowisko redukujące. Procesy redoks z udziałem tlenu determinują stężenie wielu pierwiastków i powstawanie złóż minerałów - węgla, ropy, siarki, rud żelaza, miedzi itp. Zmiany w obiegu tlenu dokonują się poprzez działalność gospodarcza osoba. W niektórych krajach uprzemysłowionych spalanie paliw zużywa więcej tlenu niż jest produkowane przez rośliny podczas fotosyntezy. Ogółem na świecie do spalania paliw zużywa się rocznie około 9·10 9 ton tlenu.

Izotopy, atom i cząsteczka tlenu. Tlen ma trzy stabilne izotopy: 16 O, 17 O i 18 O, których średnia zawartość wynosi odpowiednio 99,759%, 0,037% i 0,204% całkowitej liczby atomów tlenu na Ziemi. Wyraźna przewaga najlżejszego z nich, 16 O, w mieszaninie izotopów wynika z faktu, że jądro atomu 16 O składa się z 8 protonów i 8 neutronów. A takie jądra, jak wynika z teorii jądra atomowego, są szczególnie trwałe.

Zgodnie z pozycją tlenu w układ okresowy pierwiastków Mendelejewa elektrony atomu tlenu znajdują się w dwóch powłokach: 2 na wewnętrznej i 6 na zewnętrznej (konfiguracja 1s 2 2s 2 2p 4). Ponieważ zewnętrzna powłoka atomu tlenu jest niewypełniona, a potencjał jonizacji i powinowactwo elektronowe wynoszą odpowiednio 13,61 i 1,46 eV, atom tlenu w związkach chemicznych zwykle przejmuje elektrony i ma ujemny ładunek efektywny. Przeciwnie, związki, w których elektrony są odłączane (dokładniej odciągane) od atomu tlenu, są niezwykle rzadkie (takie jak np. F 2 O, F 2 O 3). Wcześniej, wyłącznie na podstawie pozycji tlenu w układzie okresowym, atomowi tlenu w tlenkach i większości innych związków przypisywano ładunek ujemny (-2). Jednakże, jak pokazują dane eksperymentalne, jon O 2- nie występuje ani w stanie wolnym, ani w związkach, a ujemny efektywny ładunek atomu tlenu prawie nigdy nie przekracza znacząco jedności.

W normalnych warunkach cząsteczka tlenu jest dwuatomowa (O 2); w cichym wyładowaniu elektrycznym powstaje również trójatomowa cząsteczka O 3 - ozon; przy wysokich ciśnieniach cząsteczki O 4 występują w małych ilościach. Struktura elektronowa O 2 ma duże znaczenie teoretyczne. W stanie podstawowym cząsteczka O2 ma dwa niesparowane elektrony; „zwykła” klasyka jej nie dotyczy formuła strukturalna O=O z dwoma wiązaniami dwuelektronowymi. Obszerne wyjaśnienie tego faktu podano w ramach teorii orbitali molekularnych. Energia jonizacji cząsteczki tlenu (O 2 - e → O 2 +) wynosi 12,2 eV, a powinowactwo elektronowe (O 2 + e → O 2 -) wynosi 0,94 eV. Dysocjacja molekularnego tlenu na atomy w zwykłej temperaturze jest znikoma, staje się zauważalna dopiero w temperaturze 1500°C; w temperaturze 5000°C cząsteczki tlenu ulegają niemal całkowitej dysocjacji na atomy.

Właściwości fizyczne tlenu. Tlen jest bezbarwnym gazem, który skrapla się w temperaturze -182,9°C i pod normalnym ciśnieniem, tworząc bladoniebieską ciecz, która krzepnie w temperaturze -218,7°C, tworząc niebieskie kryształy. Gęstość gazowego tlenu (w temperaturze 0°C i pod normalnym ciśnieniem) wynosi 1,42897 g/l. Temperatura krytyczna tlenu jest dość niska (Tcrit = -118,84°C), to znaczy niższa niż temperatura Cl 2, CO 2, SO 2 i niektórych innych gazów; Tkryt = 4,97 Mn/m2 (49,71 at). Przewodność cieplna (przy 0°C) 23,86·10 -3 W/(m·K). Molowa pojemność cieplna (w 0°C) w J/(mol·K) C p = 28,9, C v = 20,5, C p /C v = 1,403. Stała dielektryczna gazowego tlenu wynosi 1,000547 (0°C), cieczy 1,491. Lepkość 189 ppm (0°C). Tlen jest słabo rozpuszczalny w wodzie: w temperaturze 20°C i pod ciśnieniem 1 atmosfery w 1 m3 rozpuszcza się 0,031 m3 wody, a w temperaturze 0°C - 0,049 m3 tlenu. Dobrymi stałymi pochłaniaczami tlenu są czerń platynowa i węgiel aktywny.

Właściwości chemiczne tlenu. Tworzy się tlen związki chemiczne ze wszystkimi pierwiastkami z wyjątkiem lekkich gazów obojętnych. Będąc najbardziej aktywnym (po fluorze) niemetalem, tlen oddziałuje bezpośrednio z większością pierwiastków; wyjątkami są ciężkie gazy obojętne, halogeny, złoto i platyna; ich połączenia z tlenem uzyskuje się pośrednio. Prawie wszystkie reakcje tlenu z innymi substancjami - reakcje utleniania - są egzotermiczne, to znaczy towarzyszy im uwalnianie energii. W normalnych temperaturach tlen reaguje z wodorem niezwykle wolno, powyżej 550°C reakcja ta zachodzi wybuchowo:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O.

W normalnych warunkach tlen reaguje bardzo powoli z siarką, węglem, azotem i fosforem. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość reakcji i przy określonej temperaturze zapłonu charakterystycznej dla każdego elementu rozpoczyna się spalanie. Reakcja azotu z tlenem, ze względu na szczególną wytrzymałość cząsteczki N2, jest endotermiczna i staje się zauważalna dopiero powyżej 1200°C lub w wyładowaniu elektrycznym: N2 + O2 = 2NO. Tlen aktywnie utlenia prawie wszystkie metale, zwłaszcza metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych. Aktywność interakcji metalu z tlenem zależy od wielu czynników - stanu powierzchni metalu, stopnia zmielenia i obecności zanieczyszczeń.

W procesie oddziaływania substancji z tlenem niezwykle istotna jest rola wody. Na przykład nawet to aktywny metal, podobnie jak potas, nie reaguje z tlenem całkowicie pozbawionym wilgoci, ale zapala się w tlenie w zwykłych temperaturach w obecności nawet nieznacznych ilości pary wodnej. Szacuje się, że rocznie w wyniku korozji traci się do 10% całego wyprodukowanego metalu.

Tlenki niektórych metali, dodając tlen, tworzą związki nadtlenkowe zawierające 2 lub więcej połączonych ze sobą atomów tlenu. Zatem nadtlenki Na 2 O 2 i BaO 2 obejmują jon nadtlenkowy O 2 2-, ponadtlenki NaO 2 i СО 2 - jon O 2 - oraz ozonki NaO 3, СО 3, RbO 3 i CsO 3 - jon O 3 -. Tlen reaguje egzotermicznie z wieloma złożonymi substancjami. Zatem amoniak spala się w tlenie przy braku katalizatorów, reakcja przebiega według równania: 4NH 3 + ZO 2 = 2N 2 + 6H 2 O. Utlenianie amoniaku tlenem w obecności katalizatora powoduje powstanie NO (proces ten jest używany w produkcji kwas azotowy). Szczególne znaczenie ma spalanie węglowodorów (gazu ziemnego, benzyny, nafty) - najważniejszego źródła ciepła w życiu codziennym i przemyśle, np. CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O. Oddziaływanie węglowodorów z tlenem leży u podstaw wielu najważniejszych procesów produkcyjnych – taka jest np. tzw. konwersja metanu przeprowadzana w celu wytworzenia wodoru: 2CH 4 + O 2 + 2H 2 O = 2CO 2 + 6H 2. Wiele związków organicznych (węglowodory z wiązaniami podwójnymi lub potrójnymi, aldehydy, fenole, a także terpentyna, oleje schnące i inne) energicznie dodają tlen. Utlenianie tlenem składniki odżywcze w komórkach służy jako źródło energii dla organizmów żywych.

Pozyskiwanie tlenu. Istnieją 3 główne sposoby pozyskiwania tlenu: chemiczny, elektroliza (elektroliza wody) i fizyczny (oddzielenie powietrza).

Metoda chemiczna została wynaleziona wcześniej niż inne. Tlen można otrzymać np. z soli Bertholleta KClO3, która pod wpływem ogrzewania rozkłada się wydzielając O 2 w ilości 0,27 m 3 na 1 kg soli. Tlenek baru BaO po podgrzaniu do 540°C najpierw pochłania tlen z powietrza, tworząc nadtlenek BaO 2, a po kolejnym ogrzaniu do 870°C BaO 2 rozkłada się uwalniając czysty tlen. Można go również otrzymać z KMnO 4, Ca 2 PbO 4, K 2 Cr 2 O 7 i innych substancji poprzez ogrzewanie i dodanie katalizatorów. Chemiczna metoda wytwarzania tlenu jest mało wydajna i kosztowna, nie ma znaczenia przemysłowego i jest stosowana wyłącznie w praktyce laboratoryjnej.

Metoda elektrolizy polega na przepuszczaniu stałej prąd elektryczny przez wodę, do której dodano roztwór wodorotlenku sodu NaOH w celu zwiększenia jego przewodności elektrycznej. W tym przypadku woda rozkłada się na tlen i wodór. Tlen gromadzi się w pobliżu elektrody dodatniej elektrolizera, a wodór w pobliżu elektrody ujemnej. W ten sposób powstaje tlen jako produkt uboczny przy produkcji wodoru. Aby uzyskać 2 m 3 wodoru i 1 m 3 tlenu, zużywa się 12-15 kWh energii elektrycznej.

Główną metodą pozyskiwania tlenu w nowoczesnych technologiach jest separacja powietrza. Powietrze w normalnym stanie gazowym jest bardzo trudne do oddzielenia, dlatego najpierw jest ono skraplane, a następnie rozdzielane na części składowe. Ta metoda pozyskiwania tlenu nazywana jest separacją powietrza metodą głębokiego chłodzenia. Najpierw powietrze jest sprężane przez sprężarkę, następnie po przejściu przez wymienniki ciepła rozpręża się w rozprężarce lub przepustnicy, w wyniku czego zostaje schłodzone do temperatury 93 K (-180°C) i zamienia się w w ciekłe powietrze. Dalsza separacja ciekłego powietrza, składającego się głównie z ciekłego azotu i ciekłego tlenu, opiera się na różnicy temperatur wrzenia jego składników [T bap O 2 90,18 K (-182,9 ° C), t bap N 2 77,36 K (- 195,8° C)]. Wraz ze stopniowym parowaniem ciekłego powietrza najpierw odparowuje się przede wszystkim azot, a pozostała ciecz jest coraz bardziej wzbogacana w tlen. Powtarzając wielokrotnie podobny proces na półkach destylacyjnych kolumn do separacji powietrza, otrzymuje się ciekły tlen o wymaganej czystości (stęeniu). ZSRR produkuje małe (kilkulitrowe) i największe na świecie instalacje separacji tlenu od powietrza (35 000 m 3 /h tlenu). Instalacje te wytwarzają Tlen technologiczny o stężeniu 95-98,5%, Tlen techniczny o stężeniu 99,2-99,9% oraz Tlen czystszy, medyczny, wytwarzając produkty w postaci ciekłej i gazowej. Konsumpcja energia elektryczna waha się od 0,41 do 1,6 kWh/m 3.

Tlen można również uzyskać poprzez separację powietrza metodą selektywnej przepuszczalności (dyfuzji) przez przegrody membranowe. Powietrze pod wysokim ciśnieniem przepuszczane jest przez przegrody z fluoroplastyku, szkła lub tworzywa sztucznego, których siatka strukturalna jest w stanie przepuszczać cząsteczki niektórych składników i zatrzymywać inne.

Tlen gazowy magazynowany i transportowany jest w stalowych butlach i odbiornikach pod ciśnieniem 15 i 42 Mn/m2 (odpowiednio 150 i 420 barów lub 150 i 420 atm), ciekły tlen w metalowych zbiornikach Dewara lub w specjalnych zbiornikach-zbiornikach. Do transportu ciekłego i gazowego tlenu wykorzystuje się także specjalne rurociągi. Butle z tlenem są pomalowane na niebiesko i mają czarne słowo „tlen”.

Zastosowanie tlenu. Tlen techniczny znajduje zastosowanie w procesach płomieniowo-gazowej obróbki metali, przy spawaniu, cięciu tlenowym, hartowaniu powierzchniowym, metalizacji i innych, a także w lotnictwie, na łodziach podwodnych itp. Tlen technologiczny wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym do produkcji sztucznych paliw ciekłych, olejów smarowych, kwasów azotowego i siarkowego, metanolu, amoniaku i nawozów amoniakalnych, nadtlenków metali i innych produktów chemicznych. Ciekły tlen stosowany jest w operacjach śrutowania, w silnikach odrzutowych oraz w praktyce laboratoryjnej jako chłodziwo.

Czysty tlen zamknięty w butlach służy do oddychania na dużych wysokościach, w temp loty kosmiczne, podczas nurkowania itp. W medycynie Tlen podawany jest do inhalacji ciężko chorym, służy do przygotowania kąpieli tlenowych, wodno-powietrznych (w namiotach tlenowych), do podawania domięśniowego itp.

Tlen jest szeroko stosowany w metalurgii do intensyfikacji szeregu procesów pirometalurgicznych. Całkowite lub częściowe zastąpienie powietrza wchodzącego do jednostek hutniczych tlenem zmieniło chemię procesów, ich parametry termiczne oraz wskaźniki techniczno-ekonomiczne. Podmuch tlenu umożliwił ograniczenie strat ciepła ze spalinami, których znaczną część stanowił podczas podmuchu powietrza azot. Nie biorąc znaczącego udziału w procesach chemicznych, azot spowalniał przebieg reakcji, zmniejszając stężenie odczynników aktywnych w środowisku redoks. Podczas oczyszczania tlenem zmniejsza się zużycie paliwa, poprawia się jakość metalu, w jednostkach hutniczych można uzyskać nowe rodzaje produktów (na przykład żużle i gazy o nietypowym dla danego procesu składzie, które znajdują specjalne techniczne aplikacja) itp.

Pierwsze doświadczenia z zastosowaniem wielkiego wzbogaconego tlenem w produkcji wielkich pieców do wytapiania surówki i żelazomanganu przeprowadzono jednocześnie w ZSRR i Niemczech w latach 1932-33. Zwiększonej zawartości tlenu w wielkim piecu towarzyszy znaczne zmniejszenie jego zużycia, wzrasta natomiast zawartość tlenku węgla w gazie wielkopiecowym i wzrasta ciepło jego spalania. Wzbogacanie dmuchu w tlen pozwala na zwiększenie wydajności wielkiego pieca, a w połączeniu z dostarczanym do paleniska paliwem gazowym i płynnym prowadzi do zmniejszenia zużycia koksu. W tym przypadku każdy dodatkowy procent tlenu w dmuchu zwiększa wydajność o około 2,5%, a zużycie koksu spada o 1%.

Tlen w produkcji martenowskiej w ZSRR po raz pierwszy wykorzystano do intensyfikacji spalania paliw (na skalę przemysłową po raz pierwszy tlen zastosowano w tym celu w zakładach Serp i Mołot oraz Krasnoje Sormowo w latach 1932-33). W 1933 roku zaczęto wstrzykiwać tlen bezpośrednio do kąpieli ciekłej w celu utlenienia zanieczyszczeń w okresie wykańczania. Wraz ze wzrostem intensywności przedmuchu stopu o 1 m 3 /t na 1 godzinę wydajność pieca wzrasta o 5-10%, a zużycie paliwa zmniejsza się o 4-5%. Jednak podczas dmuchania zwiększają się straty metalu. Gdy zużycie tlenu wynosi do 10 m 3 /t na 1 godzinę, wydajność stali nieznacznie spada (do 1%). Tlen staje się coraz bardziej powszechny w produkcji na otwartym ogniu. Jeśli więc w 1965 r. 52,1% stali wytapiano tlenem w piecach martenowskich, to w 1970 r. było to już 71%.

Eksperymenty z zastosowaniem tlenu w piecach elektrycznych w ZSRR rozpoczęły się w 1946 roku w zakładach Elektrostal. Wprowadzenie podmuchu tlenowego pozwoliło zwiększyć wydajność pieców o 25-30%, zmniejszyć jednostkowe zużycie energii o 20-30%, poprawić jakość stali oraz zmniejszyć zużycie elektrod i niektórych rzadkich dodatków stopowych. Doprowadzanie tlenu do pieców elektrycznych okazało się szczególnie efektywne przy produkcji stali nierdzewnych o niskiej zawartości węgla, których wytapianie jest bardzo trudne ze względu na nawęglanie elektrod. Udział stali elektrycznej produkowanej w ZSRR przy użyciu tlenu stale rósł i w 1970 r. wyniósł 74,6% całkowitej produkcji stali.

W topieniu żeliwiaków podmuch wzbogacony w tlen stosowany jest głównie do dużego przegrzania żeliwa, niezbędnego przy produkcji wysokiej jakości odlewów, zwłaszcza wysokostopowych (krzem, chrom itp.). W zależności od stopnia wzbogacenia żeliwiaka w tlen, zużycie paliwa zmniejsza się o 30–50%, zawartość siarki w metalu zmniejsza się o 30–40%, wydajność żeliwiaka wzrasta o 80–100%, a temperatura znacznie wzrasta ilość produkowanego z niego żeliwa (aż do 1500°C).

Tlen rozpowszechnił się w metalurgii metali nieżelaznych nieco później niż w metalurgii żelaza. Podmuch wzbogacony w tlen stosowany jest do konwersji kamieni, w procesach destylacji żużli, Waeltzinga, aglomeracji oraz w wytopie refleksyjnym koncentratów miedzi. W produkcji ołowiu, miedzi i niklu podmuch tlenowy zintensyfikował procesy wytapiania szybów, zmniejszył zużycie koksu o 10-20%, zwiększył penetrację o 15-20% i w niektórych przypadkach zmniejszył ilość topników 2-3 razy. Wzbogacanie podmuchu powietrza tlenem do 30% podczas prażenia koncentratów siarczku cynku zwiększyło wydajność procesu o 70% i zmniejszyło objętość gazów spalinowych o 30%.

§ 27. WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE TLENU. REAKCJA KOMBINACJI

Przestudiowanie tego akapitu pomoże Ci:

· nazwać skład i podać przykłady tlenków;

· scharakteryzować właściwości chemiczne tlenu;

· tworzyć równania reakcji z udziałem tlenu;

· rozróżniać reakcje rozkładu i reakcji złożonych;

Wyjaśnij istotę reakcji złożonych

Wiesz, że właściwości chemiczne substancji to ich zdolność do interakcji z innymi substancjami. Oddziaływanie kończy się utworzeniem cząstek strukturalnych produktów reakcji z cząstek strukturalnych wchodzących w skład odczynników. Przy udziale tlenu procesy takie zachodzą z wieloma substancjami prostymi i złożonymi. Daje to podstawy do nazywania tlenu substancją czynną.

INTERAKCJA TLENU Z PROSTYMI SUBSTANCJAMI.

1. Interakcja z węglem. Rozgrzej węgiel w płomieniu lampy alkoholowej i dodaj go do kolby wypełnionej tlenem. Węgiel spala się szybko, nie tworząc sadzy ani dymu (ryc. 87, a), a ścianki kolby nagrzewają się. Do kolby wlej wodę wapienną, stanie się mętna. A to dowodzi, że w kolbie, która wcześniej zawierała tlen, pojawił się dwutlenek węgla.

Uwolnienie światła i ciepła wskazuje, że doszło do spalania, które jest zjawiskiem chemicznym:

C + O 2 = CO 2 - dwutlenek węgla, czyli tlenek węgla(IV) (1)

2. Oddziaływanie z wodorem. Umieść zapaloną zapałkę w suchej probówce wypełnionej wodorem. Od razu usłyszymy stłumiony huk. Dzieje się tak, ponieważ wodór reaguje z tlenem natychmiastowo – wybuchem. Pojawienie się kropelek wody na ściankach suchej probówki jest przekonującym dowodem na powstanie tej substancji:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O - woda lub tlenek wodoru (2)

3. Oddziaływanie z siarką. Łyżkę do substancji palących napełnij siarką w 1/3, dodaj ją do płomienia lampki alkoholowej i mieszaj, aż siarka się rozpuści i zacznie się palić. Następnie dodaj łyżkę do kolby z tlenem. Siarka natychmiast wybucha jasnoniebieskim płomieniem, kolbę wypełnia się dwutlenkiem siarki (ryc. 87, b):

S + O 2 = SO 2 - dwutlenek siarki lub tlenek siarki (IV) (3)

Reakcji tej towarzyszy pojawienie się ostrego, specyficznego zapachu dwutlenku siarki.

4. Interakcja z magnezem. Podpalmy pasek magnezu, a szybko spłonie jasnym, oślepiającym płomieniem:

2Mg + O 2 = 2MgO tlenek magnezu (4)

Widocznym znakiem tej reakcji chemicznej jest pojawienie się światła.

5. Interakcja z żelazem. Spróbujmy, niczym magnez, spalić cienką żelazną igłę. Nie będziemy w stanie tego zrobić w powietrzu. Sprawdźmy, czy igła w kolbie wypełnionej tlenem pali się. Aby bezpiecznie przeprowadzić doświadczenie, należy przykryć dno kolby warstwą piasku. Włóż cienką igłę z częścią, w której znajduje się oko, do drewnianego patyczka i dopasuj końcówkę igły. Natychmiast po zapaleniu zapałki powoli wprowadzić igłę do kolby z tlenem. Żelazo szybko się zapala, powstały produkt reakcji z jasnymi iskrami, przypominającymi noworoczne ognie, rozprasza się różne strony(ryc. 87, c). Igła pozostawia małą stopioną kulkę w miejscu, w którym jest przyczepiona. Ściany kolby nagrzewają się. To zjawisko chemiczne wyraża się następującym równaniem reakcji:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 łuska żelaza (b)

Reakcji towarzyszy wydzielanie światła i ciepła.

6. Interakcja z miedzią. Przytrzymaj miedzianą płytkę nad płomieniem lampy alkoholowej przez kilka minut. Będziemy obserwować, jak zamiast czerwono-miedzianego koloru pojawia się kolor czarny:

2Cu + O 2 = 2CuO - tlenek miedzi(II) (c)

Reakcji towarzyszy zmiana koloru.

POJĘCIE TLENKÓW. We wszystkich rozważanych reakcjach powstały binarne związki pierwiastka z tlenem – tlenki.

Czy tlenki są substancjami prostymi czy złożonymi? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Ryż. 87. Spalanie węgla (a), siarki (6) i żelaza (c) w tlenie

Wiesz już, że tlenki są binarnymi związkami pierwiastków z tlenem i wiesz, jak określić wartościowość pierwiastka chemicznego w tlenku. Możesz o tym pamiętać, odnosząc się do akapitu 18.

Produktem oddziaływania żelaza z tlenem jest kamień żelazny Fe 3 O 4 – specjalny binarny związek tlenu. Powstaje z dwóch tlenków - FeO i Fe 2 O 3.

Wyznacz wzory obu tlenków. w którym metalowy element Ferum jest dwuwartościowy, a w niektórych przypadkach trójwartościowy.

REAKCJA KOMBINACJI. Wspólną cechą każdego z sześciu rozpatrywanych przykładów było to, że z dwóch substancji powstała jedna substancja. Takie reakcje nazywane są reakcjami złożonymi.

Reakcje, w wyniku których powstaje jedna substancja z dwóch lub więcej substancji, nazywane są reakcjami złożonymi.

Aby po rozważonych przykładach nie odnieść wrażenia, że można łączyć tylko proste substancje, podamy przykłady równań reakcji dla połączenia substancji złożonej i prostej; dwie złożone substancje:

2CO + O2 = 2CO2 (7)

Na 2 O + SO 3 = Na 3 SO 4 - siarczan sodu (8)

Jak widać, najważniejsze w reakcjach kombinowanych jest to, że powstaje jeden produkt reakcji, a odczynnikami mogą być zarówno substancje złożone, jak i proste, ale z pewnością muszą być ich dwa lub więcej.

Podsumujmy, czego się nauczyliśmy:

INTERAKCJA TLENU Z SUBSTANCJAMI ZŁOŻONYMI. Oddziaływanie z metanem. Za każdym razem, gdy ludzie zapalają kuchenkę gazową, przeprowadzają reakcję chemiczną pomiędzy metanem CH4 (głównym składnikiem gazu ziemnego) a tlenem:

Temu zjawisku chemicznemu towarzyszą dwa zjawiska fizyczneświatło i ciepło. Podczas jego przepływu zawartość tlenu w kuchni maleje, a wręcz przeciwnie, wzrasta dwutlenek węgla. Dlatego słusznie postępują ci, którzy wietrzą kuchnię, otwierają okno i instalują okapy elektryczne.

Oddziaływanie tlenu z siarkowodorem H 2 S. Siarkowodór lub siarkowodór również spala się w tlenie. Jeśli jest wystarczająca ilość tlenu, reakcji towarzyszy znane już powstawanie dwutlenku siarki i wody:

2H 2 S + 3O 2 = 2 SO 2 + 2H 2 O (10)

Całkowite utlenienie glukozy C 6 H 12 O 6. Sam fakt, że człowiek może przeżyć bez oddychania nie dłużej niż 5-7 minut, sugeruje ogromne znaczenie tlenu dla organizmu. Czy zastanawiałeś się kiedyś nad funkcją tlenu w naszym organizmie? W końcu jego dzienne spożycie nie jest tak małe - około 700 g.

Naukowcy zbadali, że w organizmie zachodzi wiele reakcji z udziałem tlenu. W szczególności glukoza, która dostaje się do organizmu człowieka wraz z pożywieniem, reaguje również z tlenem. Interakcja zachodzi w obecności enzymów (katalizatorów) i kończy się utworzeniem dwutlenku węgla i wody. Można to wyrazić za pomocą następującego ogólnego równania reakcji:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O (11)

We wszystkich rozważanych przykładach, niezależnie od tego, czy substancja prosta czy złożona oddziałuje z tlenem, powstają tlenki pierwiastków wchodzących w skład odczynników. Jednak przy niepełnej interakcji złożonej substancji z tlenem można również utworzyć prostą substancję. Na przykład omówiona powyżej interakcja tlenu z siarkowodorem H2S może wystąpić z utworzeniem siarki i wody, jeśli występuje niedobór tlenu:

2H 2 S + O 2 = 2 S + 2 H 2 O (12)

Tlen należy do substancje czynne. Łatwo wchodzi w interakcję z substancjami prostymi i złożonymi. Produktami tych reakcji są tlenki.

Erudycyjna skarbonka

Na początku akapitu powiedziano, że większość prostych substancji oddziałuje z tlenem. Przykładami metali nieuwzględnionych w tej większości są złoto Au, platyna Pt, dlatego nazywane są metalami szlachetnymi. Wśród niemetali hel He, neon Ne, argon Ar, krypton Kr, ksenon Xe i radon Rn wykazują „obojętność” lub obojętność na tlen. Dlatego te substancje gazowe nazywane są łącznie gazami obojętnymi.

Przez długi czas w nauce wierzono, że gazy obojętne nie wchodzą w interakcje z żadną substancją. Jednak w ciągu ostatniego półwiecza udało się otrzymać część ich związków, także tych z tlenem, choć nie w reakcji łączenia gazu obojętnego z tlenem, ale innymi metodami.

1. Z czego składają się tlenki? Podaj przykłady tlenków.

2. Opisać właściwości chemiczne tlenu.

3. Jakie reakcje nazywane są reakcjami złożonymi? Daj przykłady.

4. Jaka jest różnica pomiędzy reakcje chemiczne rozkład i połączenie?

5. Zapisz z tekstu akapitu wzory i nazwy substancji, które są dla Ciebie nowe.

6. Korzystając ze wzorów tlenków dostępnych w tekście akapitu, określ, który z nich ma najmniejszą, a który największą ułamek masowy Tlen.

7. Korzystając z podanych diagramów napisz równania reakcji:

a) Ba + O2 -> BaO

b) PbS + O2 -> PbO + SO2

c) Cu + O2 -> CuO

d) HgS + O2 -> Hg + SO2

8. Zapisz równania reakcji tlenu za pomocą: