Кислород под действием солнца

Кислород

Кислород является самым распространенным эле­ментом земной коры. В атмосфере его находится около 23 весовых %, в со­ставе воды—около 89%. Если под­считать его количество в воздухе (атмосфере), воде (гидросфере) и доступной непосредственному химическому исследованию части твер­дой земной коры (литосфере), то окажется, что на долю кислорода приходится примерно 50% их общей массы. Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов: ­₈ 16 O (99,76%), ₈ 17 O (0,04%) и ₈ 18 O (0,2%).

Газ без цвета запаха и вкуса, парамагнетик, что доказывает наличие неспаренных электронов (жидкий кислород притягивается к магниту). Плохо растворим в воде, но может растворяться в мелкодисперсных металлах или угле, тогда такие смеси будут применяться в качестве окислителя.

Свободный кислород состоит из двухатомных молекул. Под обыч­ным давлением он сжижается при -183°С, и затвердевает при —219°С. В газообразном состоянии кислород бесцветен, а в жидком и твердом имеет бледно-синюю окраску.

1. Промышленные способы:

Ø Электролиз воды:

Ø Пиролюзит и серная кислота («тривиальный» способ):

Ø Разложение пероксида бария:

2BaO₂→2BaO+O₂↑(температура примерно 500℃)

Ø Дифракционная перегонка жидкого воздуха.

Воздух сжижают, при температурах примерно −222,65 °C далее воздух начинают фракционно перегонять, постепенно получая из него кислород, азот и инертные газы. Этот метод основам на эффекте Джоуля- Томпсона.

Все реакции окисления проходят в жидком воздухе намного быстрее, чем в газообразном. Так как в жидком воздухе, содержание кислорода больше, чем в газообразном (азот плавиться при -192.5 °C, а кислород при -183°С ) и площадь соприкосновения реагентов больше.

2. Лабораторные способы делятся на 2 вида:

1) «Сухие»- разложение соединений, богатых кислородом, но термически неустойчивых:

· KClO₃→KCl+O₂↑ (Эта реакция интересна тем, что она значительно ускоряется и идет при более низких температурах, если к КСl0₃ предварительно добавить немного двуокиси марганца (MnO₂)).

2) «Мокрые»- проводят в растворах:

Высокая энергия связи, высокая степень ионизации, высокая электроотрицательность выдает в нем типичный неметалл. Очень чистый кислород при н.у весьма инертен(высокая энергия связи).Но стоит лишь немного нагреть, и он становиться чрезвычайно реакционно способным.

1) Реакции с простыми веществами. Кислород напрямую взаимодействует с многими простыми веществами, исключения-Ne,Ar, He.С галогенами и благородными металлами- только косвенно. Взаимодействуя с простыми веществами, он образует их оксиды:

Особенности проявляются при реакции с металлами I и II групп, главных подгрупп. Например, из всех металлов IA группы при непосредственным взаимодействием с кислородом нормальный оксид образуется только у лития, у натрия- пероксид, далее, чем ниже по периоду, тем больше преобладает в смеси пероксида и надпероксиданадпероксид.

В реакциях кислорода и металлов IIA группы образуется в основном оксид, с небольшой примесью пероксида:

4P_белый+5O₂→2P₂O₅(реакция идёт самопроизвольно, но при медленном пропускании тока O₂над белым фосфором будет образовываться O₃).

2)4P_{красный}+3O₂→2P₂O₃ (принято считать (и в задачах так и надо),что 1 реакция идет при избытке кислорода, а 2 при недостатке. Но это не так, обе реакции идут параллельно).

С азотом идет следующая реакция:

O₂+N₂→2NO (эта реакция происходила и происходит в атмосфере земли под действием грозовых разрядов и жесткого УФ излучения).

Уже кислородом воздуха окисляется железо, с образованием ржавчины:

2) Реакции с сложными веществами. Можно разделить на несколько типов: реакции горения и медленного окисления.Кислород может переводить низшие оксиды в высшие:

Реакции горения- идет с образованием оксидов элементов, из которых состоит вещество. Про органические вещества важно знать, что если в их состав входит металл, то образуется его карбонат; азот- молекулярный азот; галоген- галогеноводород; атомарная сера- молекулярная сера:

Так же молекулярный кислород способен соединяться с атомарным, с образованием озона- O₃.

Подобно обычному кислороду, озон представляет собой простое вещество, озон является алло­тропическим видоизменением кислорода. Для молекулы его вероятнаструктурная формула: O=O=O с четырехвалентным атомом кислорода в центре.

На рисунке- озонатор, прибор для получения озона (более подробно ниже).

1. Кислород широко применяется для получения высоких температур, которые достигаются путем сжигания различных горючих газов (водо­рода, светильного газа и т. д.) в смеси не с воздухом, а с чистым кис­лородом. Особенно распространено применение кислорода в смеси с ацетиленом (температура пламени около 3000°С) для сварки и резки металлов.

2. В медицине вдыхание чистого кислорода иногда назначается при некоторых отравлениях, заболеваниях легких и др.

3. Очень большое практическое значение имеет использование кислорода (чаще — обо­гащенного им воздуха) для интенсификации ряда важнейших произ­водственных процессов металлургической и химической промышлен­ности.

4. Окислитель для ракетного топлива- применяется жидкий кислород , пероксид водорода , азотная кислота и другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива.

В 1840 г. было получено газообразное вещество, состоя­щее из молекул 0₃ и сильно отличающееся по свойствам от обычного кислорода (0₂). Новый газ, обладающий характерным запахом, на­звали озоном (по-гречески — «пахучий»).Подобно обычному кислороду, озон представляет собой простоевещество. У земной поверхности озон образуется главным образом при гро­зовых разрядах и окислении некоторых органических веществ. В связи с этим заметные его количества обычно содержатся в воздухе хвой­ных лесов, где окислению подвергается древесная смола, и на берегу моря, где окисляются выброшенные прибоем водоросли.

Среднее содержание озона в воздухе у земной поверхности составляет обычно от С,01 до 0,06 мг/м 3 . Общее его содержание в атмосфере соответствует слою газа толщиной приблизительно в 3 мм (при нормальном давлении). Основная масса озона сосредоточена в высоких слоях воздуха (10—30 км), где он образуется из кис­лорода под действием ультрафиолетовых лучей Солнца с длиной волны до 1850 . Более длинные волны (2000—3200 с максимумом действия при 2550 )вызывают, наоборот, распад озона. Таким образом, в атмосфере существует подвижное равно­весие между процессами образования и распада озона, на поддержание которого затрачивается около 5% всей идущей к Земле солнечной энергии. Поглощение озоном коротковолнового излучения Солнца имеет очень большое биологическое значение: если бы эти «жесткие» лучи свободно достигали земной поверхности, они быстро убили бы всю жизнь на ней

Газообразный озон голубоватого цвета, в жидком со­стоянии он становится темно-­синим, в твердом — почти чер­ным. Температура плавления озона -192°С, температура кипения -112°С. Во всех агрегатных состояниях озон способен взрываться от удара. Растворимость его в воде гораздо больше, чем кислорода.

Под нормальным давлением озона 100 объемов воды растворяют при обычных температурах около 45 объемов этого газа. Еще лучшим его растворителем является четыреххлористый углерод, один объем которого в тех же условиях поглощает около трех объемов озона. Такой раствор имеет красивый голубой цвет.

1. Получают озон чаще всего действием на газообразный кислород тихого разряда (электрического разряда без свечения и искр). При­меняемый для этого в лабораторных условиях прибор — озонатор(концы проводов присоединяют к полюсам индукционной катушки высокого напряжения). Тихий раз­ряд происходит в пространстве между стенками внутреннего и внешнего стеклянных сосудов. Выходящий из озонатора кислород содержит не­сколько процентов озона(до 15% по объёму). Его образование сопровождается уменьшением объема, так как по реакции З0₂ = 20₃ из 3 объемов кислорода получается 2 объема озона. Как видно, реакция идёт с уменьшением энтропии, следовательно, энергия Гиббса возрастает, следовательно, озон- неустойчивое соединение.

Для повышения выхода О₃ вводить в озона­тор следует осушенный и охлажденный кислород.Образование озона идет в две стадии: первой является распад под дей­ствием тихого разряда молекулы кислорода на атомы (O₂+119ккал=2O), вто­рой — соединение атомов кислорода с нераспавшимися молекулами

2. Так же озон получается во всех реакциях, где получается и кислород.

2H₂O₂→2Н₂0+O₂ (озон получается как примесь к кислороду)

Так же озон получают электролизом концентрированных HClO₄, H₂SO₄, H₃PO₄. С последующим охлаждением на аноде, которых делается из платины, там происходит реакция:
O₂+O→O₃

Также озон можно получить из следующих реакций:

Молекула О₃ легко отдает один атом кислорода. Поэтому озон является очень сильным окислителем. Под его действием почти все металлы (кроме Au, Pt и Iг) превращаются в оксиды, сер­нистые соединения окисляются в сернокислые, аммиак — в азотистую и азотную кислоты и т. д. Резина очень быстро разрушается озоном, а многие другие органические вещества (например, спирт) при сопри­косновении с ним воспламеняются. Эта исключительно высокая окис­лительная активность озона и является его наиболее характерным хи­мическим свойством.

Далее идут примеры реакций, протекающих при взаимодействии озона с различными веществами:

Так же озон окисляет марганец до оксогидроксида марганца(в нейтральной среде) и до перманганата в щелочной. Pb 2+ он окисляет до PbO 2 :

После некоторого поверхностного окисления довольно хорошо противостоят действию озона Си, Ni и Sn. Не разрушается озоном также сплав железа (не содер­жащего углерода) с 25% хрома.

Действие озона на организм:

Запах озона становится заметным при концентрации его более 1:100000000 по объему. Продолжительное пребывание в атмосфере с содержанием озона порядка 1:1000000 вызывает раздражительность, чувство усталости и головную боль. При боле высоких концентрациях к этим симптомам добавляются тошнота, кровотечение из носа и воспаление глаз. В производственных условиях озон может образовываться всюду, где происходят электрические разряды или действует коротковолновое излу­чение. Повышенное его содержание часто обнаруживается, например, в рентгеновских кабинетах. Максимально допустимой концентрацией озона в закрытых помещениях считается 0,1 мг/м 3 . Наиболее опасное воздействие высоких концентраций озона в воздухе:

· на органы дыхания прямым раздражением;

· на органы размножения у самцов всех видов животных, в том числе и человека (вдыхание этого газа убивает мужские половые клетки и препятствует их образованию). Долгое нахождение в среде с повышенной концентрацией этого газа может стать причиной мужского бесплодия.

Практическое применение озона основано на его сильном окисляющем и сте­рилизующем действии. Под действием озона погибают не только бактерии, но и гриб­ковые образования, и вирусы. Озонированным воздухом пользуются для дезинфекции помещений (холодильных складов и др.), устранения неприятных запахов (в куритель­ных комнатах и т. д), стерилизации питьевой воды, кондиционирования воздуха и проведения некоторых других окислительных процессов. Сжигание горючих веществ в атмосфере озона создает возможность резкого ускорения сгорания и получения бо­лее высоких температур, чем при сжигании тех же веществ в кислороде. Поэтому озон представляет большой интерес для реактивной техники.

Часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), с наибольшим содержанием озона .Около 90 % атмосферного озона находится в стратосфере, главным образом на высоте от 20 до 40 км над поверхностью Земли. Его концентрация в стратосфере составляет от 2 до 8 частей на миллион. Озоновый слой поглощает от 97 до 99 % солнечного излучения в области длин волн от 200 до 315 нм.

Очень опасный ультрафиолет в диапазоне UV-c (100—280 нм) практически полностью поглощается кислородом ( 8 . Диапазон UV-a (315—400 нм), ближайший к видимому свету(400—700 нм) почти не поглощается.Озоновый слой образовался в атмосфере Земли 500—600 млн лет назад, когда в ней вследствие фотосинтеза накопилось достаточно кислорода .Единицей измерения толщины озонового слоя служит единица Добсона (DU) — Одна единица Добсона равна слою озона 10 мкм при стандартных давлении и температуре . Это соответствует 2,69×10 16 молекул озона на квадратный сантиметр поверхности Земли, или 0,447 милимоля на квадратный метр.

Источник

Воспламеняется ли Кислород?

Хотя кислород помогает вещам гореть, сам по себе он не воспламеняется.

Одна из первых вещей, которую вы узнаете на любом уроке пожарной безопасности, — это то, что кислород питает огонь и поддерживает его горение. Прекратите подачу кислорода в огонь, и огонь погаснет!

Возможно, вы также слышали, что подносить кислородный баллон (например, те, которые вы видите прикрепленными к переносным дыхательным аппаратам) возле открытого огня опасно, так как он может загореться.

Хотя кислород может помочь поджечь вещи, воспламеняется ли он? Может ли сам кислород загореться?

Что делает что-то легковоспламеняющимся?

Чтобы материал был легковоспламеняющимся, в нем должно быть что-то, что легко окисляется кислородом (естественный окислитель, в котором нет недостатка в окружающем нас воздухе). Например, этанол (один из многих горючих углеводородов) легко воспламеняется, потому что он содержит атомы углерода, которые могут окисляться до диоксида углерода.

Другой важный фактор, делающий что-то легковоспламеняющимся, — это летучесть — чем выше летучесть, тем более огнеопасен рассматриваемый материал. Углеводороды (этанол, бутан и т.д.), Опять же, являются прекрасным примером летучих и легковоспламеняющихся веществ.

То, что выделяет атомы или молекулы, которые любят связываться с кислородом, обычно является легковоспламеняющимся материалом.

Кислород воспламеняется?

Нет, кислород по своей природе не воспламеняется. Это окислитель, а это значит, что он помогает гореть другим вещам.

Предположим, вы построите лабораторию, которая будет идеально изолирована от внешнего мира, а это значит, что в нее не смогут попасть никакие примеси или газы. Затем, вы наполните лабораторию чистым кислородом. Если каким-то образом в лабораторию попадет искра, что, по-вашему, произойдет?

Если бы кислород был легковоспламеняющимся газом, искра подожгла бы воздух в лаборатории, но, поскольку кислород негорючий, он не загорается сам по себе.

Искра в наполненной кислородом комнате может превратиться в бушующий огонь, если прилипнет к объекту.

Однако, если бы в лаборатории был хотя бы небольшой лист бумаги, он бы мгновенно загорелся, так как молекулы на листе бумаги быстро прикрепились бы к окружающему кислороду (то есть к окислителю).

Кислород нужен не всегда, чтобы зажечь огонь; подойдет любой окислитель. Хлор, перекись водорода, серная кислота и азотная кислота являются одними из многих окислителей, которые могут воспламенить вещи при правильных условиях.

Поскольку кислород является наиболее распространенным природным окислителем, принято считать, что все горит только в присутствии кислорода. Другими словами, люди могут предположить, что кислород всегда необходим для того, чтобы что-то сгорело.

Еще один частый вопрос, связанный с огнем и кислородом: как звезды и наше солнце продолжают гореть, если в космосе нет кислорода?

Почему солнце горит без кислорода?

Солнце продолжает гореть, потому что ему не нужен кислород, чтобы поддерживать свой «огонь»; горение, которое происходит на поверхности Солнца, представляет собой не химическое горение, а ядерный синтез.

Солнце продолжает гореть, потому что ему не нужен кислород для своего огня.

Проще говоря, ядерный синтез происходит, когда два или более ядра соединяются, чтобы сформировать новый элемент с более тяжелым ядром. Например, два атома водорода объединяются, чтобы стать более крупным и тяжелым атомом гелия.

Для этого процесса не требуется кислород. Фактически, для этого вообще не требуется никакого другого материала. Все, что вам нужно, — это чрезвычайно высокое давление или тепло (легко доступны на поверхности Солнца, учитывая его огромные размеры), чтобы сжать атомы водорода достаточно сильно, чтобы они слились и стали атомами гелия. Это самоподдерживающийся процесс, атрибут, который часто становится пищей для сюжетов научно-фантастических фильмов.

Подводя итог, можно сказать, что кислород сам по себе не является легковоспламеняющимся веществом, но он может вызвать быстрое и интенсивное воспламенение других предметов (свойство, которое делает кислород отличным окислителем) и поджечь вещи. Именно поэтому, если огонь имеет обильный запас кислорода, он может стать массивным, а иногда и взрывоопасным!

Источник