Кислород и озон
Кислород
Кислород — самый распространённый элемент земной коры: на него приходится около половины её массы. В атмосфере доля молекулярного кислорода составляет 21 % по объёму. Этот элемент образует и другую форму простого вещества — озон. Различия в строении их молекул определяют различия в свойствах.
history_eduТри открывателя кислорода
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 из \(\ce{HgO}\) «дефлогистированный воздух», сосредоточив солнечный свет линзой. Лавуазье установил, что кислород — элемент, и создал кислородную теорию горения, опровергнув теорию флогистона.
Если изображать молекулу \(\ce{O2}\) по Льюису, между атомами следует провести двойную связь, а все электроны окажутся спаренными. Однако кислород парамагнитен, то есть притягивается магнитным полем. Теория молекулярных орбиталей объясняет это свойство: два электрона на разрыхляющих \(\pi^*\)-орбиталях не спарены. У возбуждённого синглетного кислорода электронные спины, напротив, спарены. Эта частица очень реакционноспособна; её образование и возвращение в основное состояние объясняют красное свечение смеси \(\ce{H2O2}\) и хлора.
В лаборатории кислород получают при разложении кислородсодержащих веществ. В промышленности его выделяют ректификацией жидкого воздуха, разделяя компоненты по температурам кипения (\(\ce{N2}\) кипит при −196 °C, \(\ce{O2}\) — при −183 °C), а также мембранным разделением.
scienceПолучение кислорода
- \(\ce{2KMnO4 ->[t] K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}\) — при нагревании перманганата калия выделяется кислород.
- \(\ce{2KClO3 ->[t][MnO2] 2KCl + 3O2 ^}\) — при нагревании хлората калия в присутствии катализатора выделяется кислород; без катализатора хлорат диспропорционирует с образованием перхлората.
- \(\ce{2H2O2 ->[MnO2] 2H2O + O2 ^}\) — в присутствии катализатора пероксид водорода разлагается с выделением кислорода.
- \(\ce{2HgO ->[t] 2Hg + O2 ^}\) — при нагревании оксида ртути выделяется кислород; эту реакцию использовал Пристли.
Озон
Озон — аллотропная модификация кислорода, то есть другое простое вещество того же элемента. Его молекула изогнута: угол составляет 117°, а длина каждой связи — 128 пм, что соответствует промежуточному значению между длинами одинарной и двойной связей. Равенство связей объясняют резонансом: строение молекулы нельзя передать одной схемой с одинарной и двойной связью. Озон представляет собой голубой газ с резким «запахом грозы»; он ядовит уже при концентрации 0,1 мг/м³.
Образование озона из кислорода требует энергии:
Поэтому озон образуется при электрическом разряде — в озонаторах, во время грозы и в копировальных аппаратах — а также под действием УФ-света. Озон является одним из сильнейших окислителей: \(E^\circ(\ce{O3/O2}) = 2{,}07\) В. По окислительной способности он уступает лишь фтору и немногим другим частицам.
scienceОкислительные свойства озона
- \(\ce{2KI + O3 + H2O -> I2 + O2 + 2KOH}\) — озон окисляет иодид калия до иода, поэтому иодкрахмальная бумажка синеет.
- \(\ce{PbS + 4O3 -> PbSO4 + 4O2}\) — при окислении чёрного сульфида свинца образуется белый сульфат.
- \(\ce{2Ag + O3 -> Ag2O + O2}\) — озон окисляет серебро, и оно чернеет; кислород в этих условиях так не действует.
- \(\ce{3SO2 + O3 -> 3SO3}\) — озон окисляет оксид серы на холоду.
- \(\ce{2KOH + 5O3 -> 2KO3 + 5O2 + H2O}\) — при реакции со щёлочью образуется оранжевый озонид калия.
boltКак отличить озон от кислорода
Озон окисляет иодид калия и серебро на холоду, обесцвечивает индиго и обладает характерным запахом. Различить газы позволяет также изменение объёма при разложении озона (при нагревании): в реакции \(\ce{2O3 -> 3O2}\) объём чистого озона увеличивается в полтора раза. Если исходный газ — озонированный кислород, объём озона в смеси находят по приросту общего объёма: он вдвое больше этого прироста. Затем из исходного объёма смеси вычитают объём озона и находят объём кислорода. Объёмы до и после разложения сравнивают при одинаковых температуре и давлении.
auto_awesomeОзонирование воды
С 1906 года в Ницце воду обеззараживают озоном. Он уничтожает бактерии и вирусы быстрее хлора и не оставляет хлорорганических примесей. Однако озон распадается за минуты и не защищает воду при движении по трубам, поэтому озонирование часто совмещают с хлорированием.
Озоновый слой
В стратосфере на высоте 15–35 км концентрация озона максимальна. Озоновый слой поглощает ультрафиолет с длиной волны 200–310 нм, губительный для живых клеток. Озон в этом слое непрерывно образуется и разрушается.
Последовательность основных реакций образования и разрушения озона называют циклом Чепмена (1930):
- Под действием УФ-излучения молекула кислорода распадается: \(\ce{O2 ->[h\nu] 2O}\) (\(\lambda < 240\) нм).
- Атом кислорода соединяется с молекулой кислорода: \(\ce{O + O2 + M -> O3 + M}\). Третья частица M уносит избыток энергии.
- Поглощая УФ-излучение, озон распадается: \(\ce{O3 ->[h\nu] O2 + O}\).
- Атом кислорода реагирует с озоном: \(\ce{O + O3 -> 2O2}\).
Помимо этих реакций, озон разрушается при участии хлора. Фреоны (\(\ce{CF2Cl2}\) и др.) поднимаются в стратосферу, где под действием УФ-излучения из них высвобождаются атомы хлора:
При сложении уравнений получается \(\ce{O3 + O -> 2O2}\). Поскольку атом хлора в ходе реакций восстанавливается, он является катализатором: один атом способен разрушить до ста тысяч молекул озона.
history_eduНобелевская премия за исследования озона
Марио Молина и Шервуд Роуленд в 1974 году предсказали разрушение озонового слоя фреонами; Пауль Крутцен показал роль оксидов азота. В 1985 году над Антарктидой обнаружили «озоновую дыру». Монреальский протокол 1987 года положил начало поэтапному отказу от озоноразрушающих фреонов. Это одно из самых успешных международных экологических соглашений: озоновый слой медленно восстанавливается. В 1995 году Молина, Роуленд и Крутцен получили Нобелевскую премию.
infoПочему озоновая дыра возникает над Антарктидой
Зимой в полярной стратосфере образуются облака из кристалликов льда и азотной кислоты. На их поверхности соединения, удерживающие хлор в связанном состоянии, — \(\ce{ClONO2}\) и \(\ce{HCl}\) — превращаются в \(\ce{Cl2}\). Весной под действием солнечного света из него образуются атомы хлора, которые участвуют в разрушении озона.
push_pinГлавное
Молекула \(\ce{O2}\) парамагнитна, поскольку в ней есть два неспаренных электрона, что объясняет теория молекулярных орбиталей; кислород — второй по электроотрицательности элемент. Озон \(\ce{O3}\) имеет изогнутую молекулу (117°), образуется из кислорода с поглощением энергии (\(\Delta_fH^\circ = +143\) кДж/моль) и является гораздо более сильным окислителем (\(E^\circ = 2{,}07\) В). Он образуется при электрическом разряде и УФ-облучении. Озоновый слой, образование и разрушение которого описывает цикл Чепмена, поглощает жёсткий ультрафиолет, а хлор, высвобождающийся из фреонов, разрушает озон каталитически. Для распознавания озона используют реакцию \(\ce{2KI + O3 + H2O -> I2 + O2 + 2KOH}\); состав озонированного кислорода рассчитывают по увеличению объёма смеси после разложения озона.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.