Кислород и сера

Кислород и сера находятся в одной группе, VIA, и у их атомов по шесть внешних электронов. Кислород — второй по электроотрицательности элемент, поэтому почти всегда выступает окислителем. Сера — окислитель в реакциях с металлами и водородом, но с кислородом она уже восстановитель.

Кислород

Кислород — самый распространённый элемент земной коры (тема 1.2). Простое вещество \(\ce{O2}\) составляет 21 % воздуха по объёму. Это бесцветный газ без запаха, немного тяжелее воздуха и мало растворимый в воде; растворённого кислорода, однако, хватает для дыхания рыб. При −183 °C кислород превращается в голубоватую жидкость.

Кислород — сильный окислитель. В нём горят многие простые вещества, образуя оксиды: уголь, сера, фосфор, магний. Раскалённая железная проволока сгорает в кислороде, разбрасывая искры, и образует железную окалину \(\ce{Fe3O4}\). Горят в кислороде и сложные вещества, например метан — главная часть природного газа:

\[ \ce{C + O2 -> CO2}, \qquad \ce{S + O2 -> SO2}, \qquad \ce{4P + 5O2 -> 2P2O5}, \qquad \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]

\[ \ce{3Fe + 2O2 -> Fe3O4}, \qquad \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]

Медленно, без пламени, кислород окисляет вещества при дыхании, гниении и ржавлении металлов.

Получение кислорода

В промышленности кислород получают из воздуха: воздух сжижают, а затем испаряют, и азот, который кипит при более низкой температуре, улетучивается первым. Для получения кислорода в лаборатории разлагают при нагревании богатые кислородом вещества: перманганат калия, пероксид водорода (катализатор — оксид марганца(IV)) или хлорат калия (бертолетову соль):

\[ \ce{2KMnO4 ->[t^\circ] K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}, \qquad \ce{2H2O2 ->[\ce{MnO2}] 2H2O + O2 ^}, \qquad \ce{2KClO3 ->[t^\circ, \ce{MnO2}] 2KCl + 3O2 ^} \]

Кислород собирают вытеснением воды, потому что он мало растворим, или вытеснением воздуха в сосуд, поставленный отверстием вверх, потому что он немного тяжелее воздуха. Узнают кислород по тлеющей лучинке, которая в нём ярко вспыхивает (тема 4.10).

Озон

Кислород образует и второе простое вещество — озон \(\ce{O3}\) (тема 1.2). Это голубоватый газ с резким запахом, который образуется из кислорода при электрических разрядах, например во время грозы:

\[ \ce{3O2 ->[\text{эл. разряд}] 2O3} \]

Озон — окислитель ещё более сильный, чем кислород, им обеззараживают воду. В больших концентрациях он ядовит. Высоко в атмосфере, на высоте 20–25 км, озоновый слой поглощает губительное для жизни ультрафиолетовое излучение Солнца (тема 6.2).

Сера

Сера — жёлтое хрупкое кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Вода серу не смачивает, поэтому её порошок плавает на поверхности воды (вспомните опыт из темы 1.1). Сера образует несколько простых веществ — аллотропные модификации серы. Обычная жёлтая сера — ромбическая. Если расплавленную серу вылить тонкой струёй в холодную воду, получится тёмная тянущаяся масса, похожая на резину, — пластическая сера; через несколько дней она снова превращается в ромбическую.

С металлами и водородом сера реагирует как окислитель, образуя сульфиды. С ртутью сера реагирует даже без нагревания, поэтому пролитую ртуть засыпают порошком серы. В кислороде сера горит голубым пламенем и выступает восстановителем:

\[ \ce{Fe + S ->[t^\circ] FeS}, \qquad \ce{2Na + S -> Na2S}, \qquad \ce{Hg + S -> HgS}, \qquad \ce{S + O2 -> SO2} \]

Больше всего серы идёт на производство серной кислоты (тема 4.11). Сера нужна и для вулканизации каучука, то есть для превращения его в резину, для изготовления спичек и лекарственных мазей.