Химические свойства кислорода

Химический элемент О в таблице Менделеева имеет порядковый номер 8 и находится во втором периоде в VIА группе. Заряд ядра +8, вокруг ядра вращается 8 электронов. Графическая электронная формула выглядит так:

На внешнем энергетическом уровне атома кислорода в невозбужденном состоянии находится 2 неспаренных электрона. Следовательно, в этом случае в соединениях кислород будет проявлять валентность, равную 2.

В возбужденном состоянии число неспаренных электронов увеличится не может, так как на внешнем слое у атома О нет вакантных орбиталей. Однако в некоторых соединениях (Н₃О⁺, СО) атомы кислорода трехвалентны. Дополнительная третья связь образуется по донорно-акцепторному механизму, причем атом О выступает в роли донора электронной пары. Максимально кислород может образовать 4 ковалентные связи, (две – по обменному механизму и две – по донорно-акцепторному).

Кислород в соединениях проявляет как положительную, так и отрицательную степень окисления.

Положительную степень окисления элемент кислород будет проявлять только в соединениях со F (так как это единственный более электроотрицательный элемент, чем O). В этом случае атомы O выступают в роли восстановителя и отдают с внешнего слоя 2 неспаренных электрона. Величина степени окисления при этом равна +2. Непосредственно О₂ и F₂ между собой не реагируют и их соединения [ , ] обычно получают косвенным путем. Однако в условиях электроразряда фториды кислорода можно получить и прямым путем.

Отрицательную степень окисления элемент кислород проявляет в соединениях с менее электроотрицательными элементами, чем сам (Сl, N, S, C, P, H, Si, металлы). В этом случае атомы кислорода выступают в роли окислителя и забирают от других атомов два недостающих до завершения своего внешнего слоя электрона. Величина их степени окисления при этом равна -2.

Молекула простого вещества кислорода довольно прочная, кратность связи в ней равна 2. При диссоциации молекул О₂ на 2 атома затрачивается 498 кДж/моль энергии.

В связи с этим при обычных условиях кислород относительно неактивен и взаимодействует лишь со щелочными, щелочно-земельными металлами, алюминием. Однако его реакционная способность резко возрастает при повышении температуры. В этом случае он реагирует с большинством простых веществ, за исключением галогенов, благородных газов, золота, платины.

Реакции с кислородом протекают быстро, сопровождаются выделением большого количества тепла и света, поэтому они иначе называются реакциями горения. Кислород в них выполняет роль окислителя.

Наряду с горением в природе весьма распространены процессы медленного окисления веществ кислородом, без выделения света. К таковым относятся ржавление металлов, тление, гниение органических останков и дыхание.

Кислород взаимодействует почти со всеми металлами (кроме некоторых благородных: Au, Pt), образуя основные или амфотерные оксиды:

2Zn + O₂ 2ZnO – цинк-оксид

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ – алюминий-оксид

2Cu + O₂ 2CuO – медь(II)-оксид

2Ca + O₂ = 2CaO – кальций-оксид

Исключение составляют щелочные металлы (кроме Li). Они, реагируя с кислородом, образуют пероксиды или надоксиды:

2Na + O₂ = Na₂O₂

Окисляя неметаллы, О₂ образует кислотные или несолеобразующие оксиды.

При нагревании О₂ реагирует с серой:

S + O₂ – сера(IV)-оксид

Еcли эту реакцию вести в присутствии катализатора, то образуется сера(VI)-оксид:

2S + 3O₂

С фосфором в зависимости от условий О₂ образует 2 кислотных оксида:

4P + 3O₂ – фосфор(III)-оксид (при недостатке О₂)

4P + 5O₂ – фосфор(V)-оксид (в избытке О₂)

Аналогично реагирует О₂ и c углеродом:

2С + О₂ – углерод(II)-оксид (при недостатке О₂)

С + О₂ – углерод(IV)-оксид (в избытке О₂)

При нагревании c кремнием образуется SiO₂:

Si + O₂ – кремний(IV)-оксид

C водородом при нагревании кислород образует воду:

2H₂ + O₂ 2H₂O

Смесь двух объемов H₂ и одного объема О₂ называется гремучим газом и при нагревании взрывается.

С галогенами (Cl₂, Br₂, I₂) кислород непосредственно не взаимодействует, однако косвенным путем могут быть получены неустойчивые кислотные оксиды вида:

R₂O, R₂O₅ и R₂O₇.

Обратимая реакция кислорода с азотом протекает при 3000-4000^°С. В этом случае образуется несолеобразующий азот(II)-оксид:

N₂ + O₂ 2NO

Эта реакция является эндотермической. В лаборатории ее можно осуществить с помощью электрической дуги. В природе она протекает во время грозы в канале молнии.

Кислород образует с азотом и ряд других оксидов:

, , , .

Но они, в отличие от NO, получаются только косвенным путем.

Кислород может окислять и сложные соединения (органические и неорганические). При их протекании в избытке O₂ образуются оксиды тех элементов, которые входят в состав молекул сложного вещества. Но при сжигании азотсодержащих (в отсутствии катализатора), а также галогенсодержащих соединений вместо оксидов азота и галогенов получаются простые вещества этих элементов:

2Н₂S + 3O₂ 2H₂O + 2SO₂

4NH₃ + 3O₂ 2N₂ + 6 H₂O

4HCl + O₂ 2Cl₂ + 2 H₂O

2CO + O₂ 2CO₂

4 FeS₂ + 11O₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂

CH₄ + 2O₂ CO₂ + 2 H₂O

2C₆H₆ + 15O₂ 12CO₂ + 6 H₂O

К ислород может окислять органические вещества, образуя из одних классов другие

2R-C + O₂ 2R-C

альдегид карбоновая кислота