Кислород

Учебное пособие: Химический элемент и простое вещество — Кислород

Данное учебное пособие представляет собой комплексный материал для изучения темы «Кислород», охватывающий его физические свойства, распространение в природе, исторические сведения, химические уравнения получения и методы собирания в лабораторных условиях.

1. Теоретический обзор ключевых концепций

1.1. Общие характеристики элемента и простого вещества

• Химический знак: $\text{O}$
• Порядковый номер: $8$
• Относительная атомная масса ($A_r$): $15{,}9994$ (приближённо $16$)
• Химическая формула простого вещества: $\text{O}_2$
• Относительная молекулярная масса ($M_r$): $32$
• Приоритет открытия: Оспаривается несколькими странами — Англией, Швецией и Францией.

1.2. Нахождение в природе и происхождение

• Кислород — один из наиболее распространённых химических элементов на Земле.
• Основная масса кислорода находится в связанном виде в составе сложных веществ, образующих гидросферу и земную кору.
• В атмосферном воздухе доля простого вещества кислорода составляет примерно 1/5 часть по объёму (около 21 %).
• Происхождение атмосферного кислорода: Согласно американскому учёному П. Эткинсу, кислород в земной атмосфере появился около 2 миллиардов лет назад в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий, поглощавших углекислый газ.

1.3. Физические свойства простого вещества ($\text{O}_2$)

• Агрегатное состояние и органолептика: Бесцветный газ без вкуса и запаха.
• Плотность: В $1{,}1$ раза тяжелее воздуха.
• Растворимость: Практически не растворяется в воде. Однако имеющейся растворимости достаточно для обеспечения жизнедеятельности организмов — обитателей водоёмов.
• Фазовые переходы при охлаждении: При сильном охлаждении газ превращается в голубую жидкость, которая при дальнейшем понижении температуры переходит в твёрдое состояние.

1.4. Способы получения и собирания кислорода

Уравнения химических реакций получения кислорода:

1. Разложение перманганата калия (марганцовки): $$2\text{KMnO}_4 \xrightarrow{t} \text{K}_2\text{MnO}_4 + \text{MnO}_2 + \text{O}_2\uparrow$$
2. Разложение пероксида водорода (перекиси водорода): $$2\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2\uparrow$$ (В условиях домашнего эксперимента реакция разложения пероксида водорода протекает при контакте с ломтиком сырого картофеля; с варёным картофелем реакция не идет).
3. Разложение хлората калия (бертоллетовой соли): $$2\text{KClO}_3 \xrightarrow{t} 2\text{KCl} + 3\text{O}_2\uparrow$$
4. Разложение оксида ртути(II): $$2\text{HgO} \xrightarrow{t} 2\text{Hg} + \text{O}_2\uparrow$$

Причины отказа от некоторых лабораторных способов:

В современной практике отказались от получения кислорода из бертоллетовой соли и оксида ртути(II):

• Бертолетова соль ($\text{KClO}_3$): Взрывается при сильном нагревании.
• Ртуть ($\text{Hg}$) и её соединения: Чрезвычайно ядовиты.

Методы собирания кислорода в сосуды:

• Метод вытеснения воздуха: Основан на том, что кислород тяжелее воздуха (в 1,1 раза). Сосуд-приёмник ставится дном вниз.
• Метод вытеснения воды: Основан на плохой растворимости кислорода в воде. Газ вытесняет воду из перевёрнутого в ванночку сосуда.

2. Краткий опрос для проверки знаний (Short-Answer Quiz)

Вопрос 1: Какова относительная молекулярная масса простого вещества кислорода ($\text{O}_2$)?
> Ответ: $32$ (рассчитывается как $16 \times 2$).

Вопрос 2: Какую объемную долю занимает кислород в воздухе?
> Ответ: Около $21\%$ (или $1/5$ часть по объёму).

Вопрос 3: Какие страны оспаривают приоритет открытия кислорода?
> Ответ: Англия, Швеция и Франция.

Вопрос 4: Какой учёный и с чем связывал появление кислорода в атмосфере Земли 2 млрд лет назад?
> Ответ: Американский учёный П. Эткинс связывал это с жизнедеятельностью анаэробных бактерий, поглощавших углекислый газ.

Вопрос 5: Во сколько раз кислород тяжелее воздуха?
> Ответ: В $1{,}1$ раза.

Вопрос 6: В какое состояние и какого цвета превращается кислород при сильном охлаждении?
> Ответ: Превращается в голубую жидкость, а при дальнейшем охлаждении — в твёрдое состояние.

Вопрос 7: Почему в химических лабораториях отказались от получения кислорода из оксида ртути(II) и бертоллетовой соли?
> Ответ: Бертолетова соль при сильном нагревании взрывается, а ртуть и её соединения ядовиты.

Вопрос 8: На каком физическом свойстве кислорода основан метод его собирания вытеснением воды?
> Ответ: На его плохой (практически нулевой) растворимости в воде.

Вопрос 9: В каком случае — с сырым или варёным картофелем — наблюдается выделение кислорода при нанесении пероксида водорода?
> Ответ: С сырым картофелем.

Вопрос 10: Какой французский химик впервые получил хлорат калия ($\text{KClO}_3$)?
> Ответ: Клод Луи Бертолле ($1748–1822$).

3. Вопросы и темы для глубокого анализа (Эссе)

1. Сравнительный анализ методов собирания газов в лаборатории:

• Сравнительный анализ применения метода вытеснения воздуха и метода вытеснения воды для кислорода. Какие физические свойства $\text{O}_2$ делают возможным применение обоих методов, и какова техника безопасности при установке лабораторного оборудования в каждом из случаев?

2. Эволюция химических методов получения кислорода и вопросы безопасности:

• Проанализируйте историческое изменение способов получения кислорода от реакций с оксидом ртути(II) и бертоллетовой солью до современного использования перманганата калия и пероксида водорода. Почему факторы химической экологии и безопасности труда стали решающими при выборе лабораторных методик?

3. Роль растворимости кислорода в природных процессах:

• Объясните двоякую природу растворимости кислорода в воде: несмотря на то, что кислород характеризуется как «практически нерастворимый газ» (что позволяет собирать его над водой), его растворенной доли достаточно для существования гидросферной жизни.

4. Глоссарий терминов и обозначений

Термин / Формула · Описание / Значение

• Кислород (химический элемент, $\text{O}$) — Распространённый химический элемент с порядковым номером 8 и относительной атомной массой $A_r = 15{,}9994$ (округленно 16).
• Кислород (простое вещество, $\text{O}_2$) — Неметалл, бесцветный газ без вкуса и запаха, с $M_r = 32$, тяжелее воздуха в 1,1 раза, практически нерастворим в воде.
• Метод вытеснения воды — Способ собирания плохо растворимых в воде газов в лабораторный сосуд, погружённый в емкость с водой.
• Метод вытеснения воздуха — Способ собирания газов, основанный на различии их плотности по сравнению с плотностью воздуха.
• Перманганат калия ($\text{KMnO}_4$) — Сложное вещество (марганцовка), используемое в лаборатории для получения кислорода путём нагревания.
• Пероксид водорода ($\text{H}_2\text{O}_2$) — Сложное вещество (перекись водорода), разлагающееся с выделением воды и кислорода.
• Хлорат калия ($\text{KClO}_3$) — Хмическое соединение (бертолетова соль), впервые полученное Клодом Луи Бертолле; взрывается при сильном нагревании.
• Оксид ртути(II) ($\text{HgO}$) — Соединение ртути и кислорода; ранее использовалось для получения $\text{O}_2$, но выведено из практики из-за ядовитости ртути.
• Клод Луи Бертолле ($1748–1822$) — Французский химик, основатель учения о химическом равновесии, впервые синтезировавший хлорат калия.
• П. Эткинс — Американский учёный, предложивший гипотезу о возникновении кислорода в атмосфере Земли 2 млрд лет назад под действием анаэробных бактерий.