Творческая работа по химии: кислород (стр. 2 из 3)

Для завершения внешнего энергетического уровня кислороду не хватает двух электронов. Энергично принимая их кислород проявляет степень окисления, равную –2. Однако в соединениях кислорода со фтором, общая электронная пара смещена по фтору как к более электроотрицательному 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 отрицательна и равна – 2.

Сравнение окислительно-восстановительных свойств и размера ядра кислорода с элементами стоящими с ним в той же подгруппе, группе и периоде.

В своей группе у кислорода самая маленькая орбита. Принять электроны ему легче всех, отдать труднее. Самая маленькая орбита у него потому, что он стоит во 2 периоде и следовательно у него меньше всех электронных слоев. Принять недостающих электрон легче потому что, у него лучше связь атома с электроном, чем у остальных элементов этой группы. И отдать труднее потому что, тоже связь с электрона с ядром на последнем слое сильней, чем у остальных элементов этой группы.

У кислорода ядро меньше чем у Li, Be, B, C, N, но больше чем у F, потому что число элекроных слоев у них одинаковы, а количество электронов на последнем слое разное. У кислорода электроны больше чем у Li, Be, B, C, N значит связь электронов с ядром больше и радиус меньше. У кислорода восстановительные свойства больше, чем у Li, Be, B, C, N и принять недостающий электрон ему легче, по меньше чем у фтора, которому принять недостающий электрон еще легче, чем кислороду.

Физические свойства аллотропных видоизменений кислорода.

Аллотпропным видоизменениям кислорода является озон. В отличии от бесцветного кислорода, не имеющего запаха, озон – это светло синий газ с сильным запахом. Озон в полтора тяжелее кислорода, лучше его растворяется в воде. Как окислитель озона само воспламеняющее горящие жидкости, например этан. При обычной температуре озон окисляет даже серебро. Поэтому дышать воздухом со значительным содержанием озона нельзя, т.к. он разрушает ткани дыхательных путей.

Большая окислительная активность озона объясняется его термической неустойчивостью. Он при комнатной температуре медленно, но при 100-150^0. С быстро разлагается на кислород и атомарный О⁰, которой является чрезвычайно сильным окислителем по с сравнению с кислородом, он мгновенно вступает в химическую реакцию. В воздушной атмосфере над Землей на высоте около 25 километров находится озоновый слой, который защищает все живое от ультрофиалетовых лучей.

Получение кислорода

a) в лаборатории

Кислород в лаборатории получают путем разложения пероксида водорода (H₂O₂) в присутствии катализатора- диоксида марганца (MnO₂) , а также разложением перманганата калия (KMnO₄) при нагревание.

b) в промышленности

Так как горением в таком газе можно получить очень высокие температуры, полезные во многих... применениях, то быть может, что придет время, когда указанным путем станут на заводах и вообще для промышленности обогащать воздух кислородом.

Д.И. Менделеев

Попытки создать более или менее мощную кислородную промышленность предпринимались еще в прошлом веке в. многих странах. Но от идеи до технического воплощения часто лежит «дистанция; огромного размера»...

В Советском Союзе особенно быстрое развитие кислородной промышленности началось в годы Великой Отечественной войны, после изобретения академиком Л.П.Капицей турбодетандера и создания мощных воздухоразделительных установок.

Еще Карл Шееле получал кислород, по меньшей мере, пятью способами: из окиси ртути, сурика, селитры, азотной кислоты и пиролюзита. На подводных лодках и сейчас получают кислород, разлагая богатые этим элементом хлораты и перхлораты. В любой школьной лаборатории демонстрируют опыт – разложение воды на кислород и водород электролизом. Но ни один из этих способов не может удовлетворить потребности промышленности в кислороде.

Энергетически проще всего получить элемент №8 из воздуха, поскольку воздух – не соединение, и разделить воздух не так уж трудно. Температуры кипения азота и кислорода отличаются (при атмосферном давлении) на 12,8°C. Следовательно, жидкий воздух можно разделить на компоненты в ректификационных колоннах так же, как делят, например, нефть. Но чтобы превратить воздух в жидкость, его нужно охладить до минус 196°C. Можно сказать, что проблема получения кислорода – это проблема получения холода.

Чтобы получать холод с помощью обыкновенного воздуха, последний нужно сжать, а затем дать ему расшириться и при этом заставить его производить механическую работу. Тогда в соответствии с законами физики воздух обязан охлаждаться. Машины, в которых это происходит, называют детандерами.

До 1938г. для получения жидкого воздуха пользовались только поршневыми детандерами. По существу, такой детандер – это аналог паровой машины, только работает в нем не пар, а сжатый воздух. Чтобы получить жидкий воздух с помощью таких детандеров, нужны были давления порядка 200 атм., причем по неизбежным 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.

В конце 30-х годов советский физик академик П.Л. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Идея – не новая, ее еще в конце прошлого века высказывал Дж. Рэлей, но к.п.д. «докапицынских» турбин для сжижения воздуха был невысок. Поэтому небольшие турбодетандеры лишь выполняли кое-какую подсобную работу при поршневых детандерах.

Капица создал новую конструкцию, которая, по словам изобретателя, была «как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной». Главная особенность турбодетандера Капицы в том, что воздух в ней расширяется не только в сопловом аппарате, но и на лопатках рабочего колеса. При этом газ движется от периферии колеса к центру, работая против центробежных сил.

Такая конструкция турбины позволила поднять к.п.д. установки с 0,5 до 0,8. И, кроме того, турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого всего лишь до нескольких атмосфер. Очевидно, что 6 атм. получить намного проще и дешевле, чем 200. Немаловажно для экономики и то, что энергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращения ротора генератора электрического тока.

Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода. Они работают не только у нас, но и во всем мире.

Первый опытный образец турбодетандера был невелик. Его ротор восьми сантиметров в диаметре весил всего 250г. Но, как писал П.Л. Капица в 1939г., «экспериментальная эксплуатация этого турбодетандера показала, что он является надежным и очень простым механизмом. Технический к.п.д. получается 0,79...0,83». И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислорода новым методом.

В 1942г. построили подобную, но уже намного более мощную установку, которая производила до 200кг жидкого кислорода в час. В конце 1944г. вводится в строй самая мощная в мире турбо кислородная установка, производящая в 6...7 раз больше жидкого кислорода, чем установка старого типа, и при этом занимающая в 3...4 раза меньшую площадь.

Современный блок разделения воздуха БР-2, в конструкции которого также использован турбодетандер, мог бы за сутки работы снабдить тремя литрами газообразного кислорода каждого жителя СССР.

30 апреля 1945 г. Михаил Иванович Калинин подписал Указ о присвоении академику П. Л. Капице звания Героя Социалистического Труда «за успешную разработку нового турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбо кислородной установки».

Химические свойства кислорода с позиции О/В реакции, особенности горения органических и не органических веществ, простых и сложных.

Реакции окисления, сопровождающиеся выделениям теплоты и света, называются горением. Расплавленная сера горит в кислороде ярким синим пламенем, при этом образуется газ с резким запахом – диоксид серы, или оксид серы 4 (SO₂). Запах, его мы ощущаем, когда зажигаем спички.

Внесенный в сосуд, с кислородом горящий красный фосфор горит ослепительным пламенем с образованием твердого белого вещества – оксида фосфора 5 (P₂O₅)

При внесении в сосуд с кислородом раскаленной стальной проволоки вы можете наблюдать горение железа, сопровождаемое треском и разбрызгиванием ярких искр–расплавленных капель железной окалины ( Fe₅O₄)

Это явление можно увидеть при разливе жидкого чугуна и стали на металлургических заводах.

Большое практическое значение имеют процессы горения сложных веществ, как, например: метан, ацетилена. В результате таких реакций получается оксиды элементов, входящих в состав сложного вещества. Например, схему реакции горения ацетилена можно записать так.

2 C₂H₂ + 5 O₂ 4 CO₂ 2H₂O

Если экзотермическая реакция окисления происходит медленно, то ее горение не называют. Так, медленно окисляются на воздухе многие металлы, покрываясь пленкой оксидов. Сравнительно медленно происходит в живом организме реакция окисления глюкозы – одного из основных источников энергии в организме.