# Кислород

Химия · 8 класс · Воздух. Кислород. Понятие об оксидах
Источник: https://razlozheno.ru/subject/himiya/8/kislorod

Разбираемся, что такое кислород как элемент и как простое вещество, где его много, как его получают в промышленности и в лаборатории и как собирают в сосуд. Заодно выясняем, чем отличаются способы получения и почему часть из них больше не используют в школе.

## Чему научишься

- Отличать кислород как химический элемент $O$ от простого вещества $O_2$ и называть его основные физические свойства
- Записывать и проверять по числу атомов уравнения лабораторного получения кислорода и знать, какие способы небезопасны
- Выбирать способ собирания кислорода (вытеснением воды или воздуха) и объяснять, почему он подходит

## С чего начать

Кислорода в воздухе всего пятая часть, а в воде он «практически не растворяется». Почему же тогда рыбы и другие водные организмы не задыхаются?

## 1. Кислород: элемент и простое вещество

*Где он есть и каким бывает*

Слово «кислород» означает две разные вещи, и на них путаются чаще всего.

**Элемент** — это сорт атомов, значок $O$. Он сидит и в воде, и в песке, и в тебе самом. **Простое вещество** — это газ, которым ты дышишь. Его частица — молекула из двух одинаковых атомов, $O_2$.

Представь кирпич и дом. Кирпич — это элемент, он есть в любой стене. Дом из одних только кирпичей одного вида — это простое вещество. Оговорка: кирпич так не соединяется парами, в $O_2$ именно два атома, поэтому формула с двойкой.

**Кислород — элемент**

Кислород — химический элемент, один из самых распространённых на Земле; основная масса входит в состав сложных веществ земной коры и гидросферы, а в воздухе составляет около 21 % по объёму (1/5 часть).

*Рисунок: Четыре круга с подписями «Организм человека», «Атмосфера», «Гидросфера» и «Литосфера» и процентами массы и объёма*

**Как запомнить 21 %**

**Аналогия.** Представь автобус на пять мест, где одно место занимает кислород, а остальные четыре заняты другими газами. Кислород в воздухе — одна «пассажирская» пятая часть, остальное занимают другие газы.

**Способ запомнить.** Опорное число: $21\,\% \approx \frac{1}{5}$. Из каждых пяти литров воздуха примерно один литр — кислород. Это число в учебнике записано именно так: «около 21 % по объёму (1/5 часть)».

**Проверь себя:** В комнате 10 л воздуха (мысленно). Сколько примерно литров из них — кислород?
**Ответ:** Пятая часть: $10 \cdot 0{,}21 = 2{,}1$ л, то есть около 2 л.

Теперь о самом газе $O_2$. Какой он, если встретить его «в лицо»? Бесцветный, без запаха и вкуса, поэтому мы его не замечаем, пока он есть. Он в 1,1 раза тяжелее воздуха: чуть тяжелее, не в разы. Это пригодится, когда будем собирать его в сосуд.

**Кислород — простое вещество**

Простое вещество кислород ($O_2$) — неметалл, бесцветный газ без запаха и вкуса, в 1,1 раза тяжелее воздуха, практически не растворяется в воде; при сильном охлаждении превращается в голубую жидкость, а при дальнейшем охлаждении — в твёрдое состояние.

**Как не перепутать свойства**

**Аналогия.** Кислород как невидимка: ни цвета, ни запаха, ни вкуса. Его присутствие замечаешь лишь по тому, что происходит рядом (дышится, горит).

**Способ запомнить.** Правило самопроверки: «тяжелее воздуха, но всего на одну десятую — $1{,}1$». Если в ответе другое число, значит, ты запомнил что-то не то.

**Обозначения**

$O$ — химический знак кислорода.

$A_r(O) = 16$ (15,9994) — относительная атомная масса кислорода.

$O_2$ — химическая формула простого вещества кислорода.

$M_r(O_2) = 32$ — относительная молекулярная масса кислорода.

**Откуда 32**

**Аналогия.** Молекула $O_2$ — два одинаковых шарика, склеенных вместе. Масса пары — это два шарика, вес одного умножаем на два.

**Способ запомнить.** Правило: в $O_2$ двойка, значит и масса удваивается, $16 \cdot 2 = 32$.

**Пример: Считаем относительную молекулярную массу кислорода**

1. В молекуле $O_2$ два атома кислорода, а $A_r(O) = 16$.
2. Складываем массы атомов: $M_r(O_2) = 2 \cdot A_r(O) = 2 \cdot 16$.
3. Получаем $M_r(O_2) = 32$.

### Проверь себя

**Какова объёмная доля кислорода в атмосферном воздухе?**
- Около $10\%$
- Около $50\%$
- Около $78\%$
- Около $21\%$ — верно
> Кислород составляет около одной пятой части атмосферного воздуха по объёму, что соответствует примерно $21\%$.

**Какое физическое состояние и цвет принимает кислород при сильном охлаждении?**
- Сразу переходит в твёрдый белый порошок, минуя жидкую фазу
- Превращается в бесцветную жидкость
- Превращается в голубую жидкость — верно
- Превращается в жёлтый газ
> При сильном охлаждении газообразный кислород конденсируется и приобретает голубой цвет в жидком состоянии.

**Какая из названных стран НЕ упоминается в источнике как оспаривающая приоритет открытия кислорода?**
- Швеция
- Англия
- Германия — верно
- Франция
> В тексте параграфа указано, что приоритет открытия оспаривают Англия, Швеция и Франция; Германия среди них не значится.

**Согласно мнению американского учёного П. Эткинса, когда и как свободный кислород появился в атмосфере Земли?**
- Около $500$ млн лет назад в результате распада горных пород
- Около $2$ млрд лет назад в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий — верно
- Около $100$ млн лет назад из-за испарения океанов
- Около $4,5$ млрд лет назад при остывании планеты
> П. Эткинс связывает появление кислорода примерно $2$ млрд лет назад с деятельностью древних бактерий, поглощавших углекислый газ.

**В каком случае в домашнем эксперименте наблюдается разложение пероксида водорода с выделением кислорода?**
- Ни в одном из случаев реакция не протекает
- Интенсивное разложение происходит в обоих случаях одинаково
- При нанесении пероксида водорода на ломтик сырого картофеля — верно
- При нанесении пероксида водорода на ломтик варёного картофеля
> В сыром картофеле содержатся активные ферменты, катализирующие разложение пероксида водорода с выделением кислорода.

**Что происходит с жидким кислородом при его дальнейшем глубоком охлаждении?**
- Он переходит в твёрдое состояние — верно
- Он мгновенно испаряется с выделением тепла
- Он самовоспламеняется
- Он распадается на свободные протоны и электроны
> При снижении температуры ниже точки сжижения кислород замерзает и становится твёрдым.

**Чему равна относительная молекулярная масса простого вещества кислорода ($O_2$)?**
- $16$
- $15,9994$
- $48$
- $32$ — верно
> Молекула простого вещества кислорода состоит из двух атомов, поэтому её относительная молекулярная масса рассчитывается как $16 \times 2 = 32$.

**Какое описание соответствует органолептическим свойствам простого вещества кислорода при нормальных условиях?**
- Газ с резким специфическим запахом
- Бесцветный газ без запаха и вкуса — верно
- Голубой газ с кислым вкусом
- Светло-жёлтый газ со сладковатым вкусом
> При обычных условиях $O_2$ не имеет цвета, вкуса и запаха.

**Где сосредоточена основная масса элемента кислорода на планете Земля?**
- В растительном покрове суши
- В составе сложных веществ земной коры и гидросферы — верно
- В виде простого вещества в атмосфере
- В виде чистого газа в подземных пустотах
> Большая часть кислорода входит в химический состав минералов земной коры и молекул воды.

**Чему равна относительная атомная масса кислорода ($A_r(O)$), округлённая до целого числа?**
- $32$
- $18$
- $8$
- $16$ — верно
> Точное значение $15,9994$ при округлении до целых дает $16$.

**Какова химическая формула простого вещества кислорода?**
- $O_2$ — верно
- $H_2O$
- $O_3$
- $O$
> Простое вещество кислород состоит из двухатомных молекул $O_2$.

**Чему равен порядковый (атомный) номер кислорода в Периодической системе химических элементов?**
- $2$
- $8$ — верно
- $16$
- $32$
> Кислород занимает 8-ю позицию в Периодической системе элементов.

**Каким химическим знаком (символом) обозначается химический элемент кислород?**
- $O_2$
- $Mn$
- $O$ — верно
- $K$
> Химический знак элемента кислорода — заглавная латинская буква $O$.

## 2. Как получают кислород

*Промышленность и лаборатория*

Кислород нужен много и в больших количествах, поэтому его добывают двумя разными путями.

**В промышленности** его получают из жидкого воздуха: воздух сжижают, и кислород выделяют из него. Сырьё бесплатное — оно вокруг нас.

**В лаборатории** нужны небольшие порции, и тут работает другая идея: берут вещество, в составе которого есть кислород, и нагревают так, чтобы оно разложилось и «отдало» его. Отсюда четыре способа.

**Четыре уравнения лабораторного получения**

$2KMnO_4 = K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$

$2H_2O_2 = 2H_2O + O_2$

$2KClO_3 = 2KCl + 3O_2$

$2HgO = 2Hg + O_2$

**Как это запомнить и проверить**

**Аналогия.** Каждое исходное вещество — запертый багаж, в котором лежит кислород. Нагрев или разложение открывает чемодан, и кислород выходит наружу газом $O_2$. Оговорка: у перекиси чемодан открывается иначе: из двух лишних атомов кислорода получается молекула $O_2$.

**Способ запомнить.** В перекиси $H_2O_2$ ровно на один атом кислорода больше, чем в воде $H_2O$. Лишний кислород уходит газом $O_2$, остаётся вода.

**Самопроверка.** Атомов каждого элемента слева и справа поровну.

**Пример: Проверяем уравнение разложения бертолетовой соли**

1. Берём $2KClO_3 = 2KCl + 3O_2$. Слева: $K - 2$, $Cl - 2$, $O - 2 \cdot 3 = 6$.
2. Справа: $K - 2$, $Cl - 2$, кислорода $3 \cdot 2 = 6$.
3. Всё совпало, значит, уравнение записано верно.

**Четыре способа получения $O_2$ в лаборатории**

| Исходное вещество | Название | Особенность |
| --- | --- | --- |
| $KMnO_4$ | перманганат калия (марганцовка) | нагревание, школьный способ |
| $H_2O_2$ | пероксид водорода (перекись водорода) | разложение пероксида |
| $KClO_3$ | бертолетова соль (хлорат калия) | при сильном нагревании взрывается |
| $HgO$ | оксид ртути(II) | ртуть и её соединения очень ядовиты |

**Способы неравноценны**

Бертолетова соль при сильном нагревании взрывается, а ртуть и её соединения очень ядовиты. Поэтому разложение $KClO_3$ и $HgO$ в школьных лабораториях больше не применяют. Эти уравнения нужно знать, но повторять опыт не нужно.

*Рисунок: Пробирка с $KMnO_4$ и ватой на нагревании, из которой выделяется кислород*

**Проверь себя:** Дома можно проверить, что перекись «выдаёт» кислород. Капни 3–4 капли пероксида водорода на ломтик сырого картофеля и на ломтик варёного. Что ты ожидаешь увидеть?
**Ответ:** На сыром картофеле заметно выделение пузырьков, это кислород из разложения $2H_2O_2 = 2H_2O + O_2$. На варёном почти ничего не происходит. Опыт делай под присмотром взрослых.

### Проверь себя

**Какая химическая формула соответствует перманганату калия (марганцовке)?**
- $KMnO_4$ — верно
- $KClO_3$
- $HgO$
- $H_2O_2$
> Формула $KMnO_4$ описывает перманганат калия, применяемый в лаборатории для получения кислорода при нагревании.

**Почему в современных химических лабораториях отказались от получения кислорода из бертолетовой соли ($KClO_3$)?**
- Бертолетова соль плохо растворяется в воде
- Бертолетова соль при сильном нагревании взрывается — верно
- Реакция не приводит к выделению кислорода
- Получаемый кислород содержит ядовитые примеси chlorine
> Опасность взрыва при нагревании хлората калия делает этот метод небезопасным для лабораторной практики.

**Какое химическое уравнение описывает реакцию разложения пероксида водорода?**
- $2KClO_3 = 2KCl + 3O_2$
- $2KMnO_4 = K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$
- $2H_2O_2 = 2H_2O + O_2$ — верно
- $2HgO = 2Hg + O_2$
> В этой реакции пероксид водорода распадается на воду и молекулярный кислород.

**Зачем в пробирку перед пробкой помещают рыхлый комок ваты при получении кислорода из $KMnO_4$?**
- Чтобы ускорить химическую реакцию разложения
- Чтобы полностью поглотить выделяющуюся воду
- Чтобы охлаждать пробирку во время нагревания
- Чтобы мелкие частицы $KMnO_4$ не уносились током выходящего кислорода — верно
> Вата служит механическим фильтром, задерживающим пыль перманганата калия в пробирке.

**Какое химическое вещество впервые получил французский химик Клод Луи Бертолле?**
- Пероксид водорода ($H_2O_2$)
- Перманганат калия ($KMnO_4$)
- Хлорат калия ($KClO_3$) — верно
- Оксид ртути(II) ($HgO$)
> Клод Луи Бертолле впервые синтезировал хлорат калия, который получил название «бертолетова соль».

**Почему получение кислорода разложением оксида ртути(II) ($HgO$) более не применяется в лабораториях?**
- При нагревании $HgO$ выделяется не кислород, а углекислый газ
- Ртуть и её соединения крайне ядовиты — верно
- Реакция требует добавления дорогих драгоценных металлов
- Оксид ртути(II) взрывается при умеренном нагревании
> Высокая токсичность паров ртути и ее оксида делает данный метод опасным для здоровья.

**Какая формульная запись соответствует бертолетовой соли?**
- $KClO_3$ — верно
- $KCl$
- $MnO_2$
- $K2MnO_4$
> Хлорат калия $KClO_3$ носит тривиальное название «бертолетова соль».

**Какое из уравнений описывает реакцию разложения марганцовки при нагревании?**
- $2H_2O_2 = 2H_2O + O_2$
- $2KMnO_4 = K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$ — верно
- $2HgO = 2Hg + O_2$
- $2KClO_3 = 2KCl + 3O_2$
> При нагревании $KMnO_4$ распадается на манганат калия, оксид марганца(IV) и свободный кислород.

**Какая химическая формула соответствует оксиду ртути(II)?**
- $KClO_3$
- $H_2O_2$
- $HgO$ — верно
- $KMnO_4$
> Формула $HgO$ составлена из атомов ртути и кислорода в соотношении $1:1$.

## 3. Как поймать кислород в сосуд

*Вытеснение воды или воздуха*

Газ невидимый и улетает, поэтому его нужно собрать в сосуд. Есть два способа, и каждый опирается на свойство газа.

**Вытеснение воды.** Если газ плохо растворяется в воде, его можно собрать над водой.

**Метод вытеснения воды**

Метод вытеснения воды — метод собирания газов в сосуды, основанный на их плохой растворимости в воде.

**Как это работает**

**Аналогия.** Перевёрнутая пробирка с водой — как стакан, который заполняют снизу. Газ заходит и выталкивает воду вниз.

**Способ запомнить.** Правило: «плохо растворим — можно над водой». У $O_2$ как раз «практически не растворяется в воде».

*Рисунок: Установка с $KMnO_4$ и ватой, газ собирается в перевёрнутую пробирку над водой*

**Вытеснение воздуха.** Кислород тяжелее воздуха (в 1,1 раза). Если держать сосуд отверстием вверх, кислород опускается и накапливается на дне. Растущий слой газа вытесняет воздух вверх, и воздух выходит через горло. Так вода наполняет стакан и выталкивает из него воздух.

Отсюда правило: **тяжелее воздуха — сосуд отверстием вверх**.

**Два способа собирания $O_2$**

| Признак | Вытеснение воды | Вытеснение воздуха |
| --- | --- | --- |
| Опирается на | плохую растворимость в воде | газ тяжелее воздуха |
| Положение сосуда | перевёрнут над водой | отверстием вверх |
| Что вытесняется | вода | воздух |
| Подходит для $O_2$ | да | да |

**Проверь себя:** Можно ли собирать вытеснением воды газ, который хорошо растворяется в воде?
**Ответ:** Нет: метод основан на плохой растворимости газа в воде, иначе газ растворится.

**Почему рыбам хватает кислорода**

Кислород практически не растворяется в воде, но «практически» не значит «совсем». Какая-то его часть всё же растворена в воде, и этого достаточно для жизнедеятельности водных организмов.

### Проверь себя

**На каком физическом свойстве кислорода основан метод его собирания вытеснением воды?**
- На его плохой растворимости в воде — верно
- На его высокой химической активности при взаимодействии с водой
- На его способности полностью растворяться в воде
- На его высокой прозрачности и отсутствии запаха
> Поскольку кислород практически не растворяется в воде, выходящий газ замещает воду в перевёрнутом сосуде без потерь.

**Как плотность кислорода соотносится с плотностью воздуха?**
- Кислород в $1,1$ раза тяжелее воздуха — верно
- Кислород в $2$ раза легче воздуха
- Плотности кислорода и воздуха абсолютно одинаковы
- Кислород в $1,1$ раза легче воздуха
> Относительная молекулярная масса кислорода ($32$) больше средней молекулярной массы воздуха (около $29$), поэтому он тяжелее воздуха в $1,1$ раза.

**Каким методом можно собирать кислород в сухой сосуд, учитывая, что он тяжелее воздуха?**
- Методом фильтрования
- Методом выпаривания
- Методом отстаивания
- Методом вытеснения воздуха — верно
> Так как кислород тяжелее воздуха ($1,1$ раза), он опускается на дно сосуда, постепенно вытесняя более лёгкий воздух вверх.

**Достаточно ли плохой растворимости кислорода в воде для жизни водных организмов?**
- Кислород реагирует с водой с образованием ядовитых кислот
- Нет, из-за низкой растворимости жизнь в воде возможна только у поверхности
- Нет, кислород совершенно не растворяется, поэтому рыбы дышат атмосферным воздухом
- Да, небольшого количества растворённого кислорода вполне достаточно для жизнедеятельности обитателей водоёмов — верно
> Хотя растворимость кислорода мала, выделяющейся в воду концентрации достаточно для дыхания рыб и других организмов.

## Ключевые термины

- **Кислород (элемент)** — Химический элемент, один из самых распространённых на Земле, в воздухе около 21 % по объёму (1/5 часть).
- **Кислород (простое вещество)** — $O_2$ — неметалл, бесцветный газ без запаха и вкуса, в 1,1 раза тяжелее воздуха, практически не растворяется в воде.
- **Метод вытеснения воды** — Метод собирания газов в сосуды, основанный на их плохой растворимости в воде.

## Итог

- Кислород — это элемент $O$ и простое вещество $O_2$; $M_r(O_2) = 32$, $A_r(O) = 16$
- В воздухе около 21 % кислорода по объёму, примерно 1/5
- $O_2$ — бесцветный газ без запаха и вкуса, в 1,1 раза тяжелее воздуха, практически не растворяется в воде
- В лаборатории $O_2$ получают разложением $KMnO_4$, $H_2O_2$, $KClO_3$, $HgO$, но $KClO_3$ взрывается, а $HgO$ ядовит
- Собирают кислород вытеснением воды (плохо растворим) или воздуха (тяжелее воздуха, сосуд отверстием вверх)

## Шпаргалка

### Получение кислорода

- **$2KMnO_4 = K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$** — разложение марганцовки при нагревании
- **$2H_2O_2 = 2H_2O + O_2$** — разложение перекиси водорода
- **$2KClO_3 = 2KCl + 3O_2$** — бертолетова соль, опасно, не в школе
- **$2HgO = 2Hg + O_2$** — оксид ртути(II), ядовито, не в школе

### Кислород: главное

- **$A_r(O)$** — 16 (15,9994)
- **$M_r(O_2)$** — 32
- **Доля в воздухе** — около 21 % по объёму, 1/5
- **Газ $O_2$** — без цвета, запаха, вкуса, в 1,1 раза тяжелее воздуха

### Способы собирания

|  | Вытеснение воды | Вытеснение воздуха |
| --- | --- | --- |
| Условие | плохо растворим в воде | тяжелее воздуха |
| Сосуд | перевёрнут над водой | отверстием вверх |
| Вытесняется | вода | воздух |

## Любопытное

- При сильном охлаждении кислород превращается в голубую жидкость, а при дальнейшем охлаждении — в твёрдое состояние.
- Относительная атомная масса кислорода по таблице $A_r(O) = 15{,}9994$, в расчётах её округляют до 16.