Кислород и озон

9 заданий

Кислород

Кислород — самый распространённый элемент земной коры (около половины её массы) и 21 % атмосферы по объёму.

history_eduТри открывателя

Карл Шееле получил кислород в 1771–1772 годах, нагревая селитру и оксид ртути, но его книга вышла только в 1777-м. Джозеф Пристли в 1774 году выделил «дефлогистированный воздух» из \(\ce{HgO}\), фокусируя солнечный свет линзой. Лавуазье понял, что это новый элемент, и построил на нём кислородную теорию горения, опровергнув теорию флогистона.

Молекула \(\ce{O2}\) по Льюису должна иметь двойную связь и все электроны спаренными, но на самом деле парамагнитна: по теории молекулярных орбиталей два электрона на разрыхляющих \(\pi^*\)-орбиталях не спарены. Возбуждённый синглетный кислород (спины спарены) — очень реакционноспособная частица; её образование объясняет красное свечение смеси \(\ce{H2O2}\) и хлора.

scienceПолучение кислорода

\(\ce{2KMnO4 ->[t] K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}\) — лабораторный.
\(\ce{2KClO3 ->[t][MnO2] 2KCl + 3O2 ^}\) — с катализатором; без него идёт диспропорционирование в перхлорат.
\(\ce{2H2O2 ->[MnO2] 2H2O + O2 ^}\).
\(\ce{2HgO ->[t] 2Hg + O2 ^}\) — опыт Пристли.
Промышленность — ректификация жидкого воздуха (\(\ce{N2}\) кипит при −196 °C, \(\ce{O2}\) — при −183 °C) и мембранное разделение.

Озон

Озон — аллотропная модификация кислорода. Изогнутая молекула (угол 117°, обе связи по 128 пм — промежуточные между одинарной и двойной, резонанс). Озон голубой газ с резким запахом («запах грозы»), ядовит уже в концентрации 0,1 мг/м³.

\[\ce{3O2 <=> 2O3}\qquad\Delta H^\circ = +285\ \text{кДж}\]

Озон образуется в электрическом разряде (озонаторы, молнии, копировальные аппараты) и под действием УФ-света. Он — один из сильнейших окислителей (\(E^\circ(\ce{O3/O2}) = 2{,}07\) В) — уступает лишь фтору и немногим другим частицам.

scienceОзон-окислитель

\(\ce{2KI + O3 + H2O -> I2 + O2 + 2KOH}\) — качественная реакция: иодкрахмальная бумажка синеет.
\(\ce{PbS + 4O3 -> PbSO4 + 4O2}\) — чёрный сульфид белеет.
\(\ce{2Ag + O3 -> Ag2O + O2}\) — серебро чернеет (кислород так не действует).
\(\ce{3SO2 + O3 -> 3SO3}\) — окисление на холоду.
\(\ce{2KOH + 5O3 -> 2KO3 + 5O2 + H2O}\) — озонид калия, оранжевый.

boltКак отличить озон от кислорода

Озон окисляет иодид калия и серебро на холоду, обесцвечивает индиго, имеет запах. Объём при \(\ce{2O3 -> 3O2}\) (нагревание) увеличивается в полтора раза.

auto_awesomeОзонирование воды

С 1906 года в Ницце воду обеззараживают озоном: он убивает бактерии и вирусы быстрее хлора и не оставляет хлорорганических примесей. Правда, озон распадается за минуты, и воду в трубах он не защищает — поэтому его часто совмещают с хлорированием.

Озоновый слой

В стратосфере на высоте 15–35 км концентрация озона максимальна. Этот слой поглощает ультрафиолет с длиной волны 200–310 нм, губительный для живых клеток.

Цикл Чепмена (1930):

\(\ce{O2 ->[h\nu] 2O}\) (\(\lambda < 240\) нм);
\(\ce{O + O2 + M -> O3 + M}\) (M — третья частица, уносит энергию);
\(\ce{O3 ->[h\nu] O2 + O}\) — поглощение УФ;
\(\ce{O + O3 -> 2O2}\).

Каталитическое разрушение. Фреоны (\(\ce{CF2Cl2}\) и др.) поднимаются в стратосферу и под УФ отщепляют атомы хлора:

\[\ce{Cl + O3 -> ClO + O2}\qquad \ce{ClO + O -> Cl + O2}\]

Сумма: \(\ce{O3 + O -> 2O2}\). Атом хлора — катализатор: один атом разрушает до ста тысяч молекул озона.

history_eduНобелевская премия за озон

Марио Молина и Шервуд Роуленд в 1974 году предсказали, что фреоны разрушат озоновый слой; Пауль Крутцен показал роль оксидов азота. В 1985 году над Антарктидой обнаружили «озоновую дыру». Монреальский протокол 1987 года запретил фреоны — это одно из самых успешных международных экологических соглашений: слой медленно восстанавливается. Нобелевская премия 1995 года.

infoПочему дыра — над Антарктидой

Зимой в полярной стратосфере образуются облака из кристалликов льда и азотной кислоты. На их поверхности «резервуарные» соединения (\(\ce{ClONO2}\), \(\ce{HCl}\)) превращаются в \(\ce{Cl2}\), который весной на солнце мгновенно даёт атомы хлора.

push_pinГлавное

\(\ce{O2}\) — парамагнитная молекула с двумя неспаренными электронами (теория МО); кислород — второй по электроотрицательности элемент. Озон \(\ce{O3}\) — изогнутая молекула (117°), эндотермичен (\(\Delta_fH^\circ = +143\) кДж/моль), гораздо более сильный окислитель (\(E^\circ = 2{,}07\) В). Образуется при электрическом разряде и УФ-облучении; озоновый слой (цикл Чепмена) поглощает жёсткий ультрафиолет, а хлор фреонов разрушает его каталитически. Качественная реакция: \(\ce{2KI + O3 + H2O -> I2 + O2 + 2KOH}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.