Kemijski element kisik nalazi se u drugom razdoblju VI-te glavne skupine zastarjele kratke verzije periodnog sustava. Prema novim standardima numeriranja, ovo je 16. skupina. Odgovarajuću odluku donio je IUPAC 1988. Formula za kisik kao jednostavnu tvar je O2. Razmotrite njegova glavna svojstva, ulogu u prirodi i gospodarstvu. Počnimo s karakteristikama cijele skupine periodnog sustava, na čijem je čelu kisik. Element se razlikuje od srodnih halkogena, a voda se razlikuje od vodikovih spojeva sumpora, selena i telurija. Objašnjenje svih razlikovnih značajki može se pronaći samo učenjem o strukturi i svojstvima atoma.
Kalkogeni su elementi povezani s kisikom
Atomi sa sličnim svojstvima čine jednu grupu u periodičnom sustavu. Kisik prednjači u obitelji halkogena, ali se od njih razlikuje po brojnim svojstvima.
Atomska masa kisika - pretka grupe - je 16 a.u. e. m. Kalkogeni u tvorbi spojeva s vodikom i metalima pokazuju svoje uobičajeneoksidacijsko stanje: -2. Na primjer, u sastavu vode (N2O), oksidacijski broj kisika je –2.
Sastav tipičnih vodikovih spojeva halkogena odgovara općoj formuli: H2R. Kada se te tvari otapaju, nastaju kiseline. Posebna svojstva ima samo vodikov spoj kisika – voda. Prema znanstvenicima, ova neobična tvar je i vrlo slaba kiselina i vrlo slaba baza.
Sumpor, selen i telurij imaju tipična pozitivna oksidacijska stanja (+4, +6) u spojevima s kisikom i drugim nemetalima visoke elektronegativnosti (EO). Sastav halkogen oksida odražava opće formule: RO2, RO3. Njihove odgovarajuće kiseline imaju sastav: H2RO3, H2RO 4.
Elementi odgovaraju jednostavnim tvarima: kisik, sumpor, selen, telurij i polonij. Prva tri predstavnika pokazuju nemetalna svojstva. Formula za kisik je O2. Alotropska modifikacija istog elementa je ozon (O3). Obje modifikacije su plinovi. Sumpor i selen su čvrsti nemetali. Telur je metaloidna tvar, provodnik električne struje, polonij je metal.
Kisik je najzastupljeniji element
Ukupni atomski sadržaj elementa u zemljinoj kori je približno 47% (težinski). Kisik se javlja i u slobodnom obliku i u sastavu brojnih spojeva. Jednostavna tvar, čija je formula O2, nalazi se u atmosferi i čini 21% zraka (po volumenu). Molekularni kisik je otopljen u vodi, smješten između čestica tla.
Već znamo da postoji još jedna vrsta postojanja istog kemijskog elementa u obliku jednostavne tvari. Riječ je o ozonu – plinu koji tvori sloj na visini od oko 30 km od površine zemlje, koji se često naziva ozonskim zaslonom. Vezani kisik je uključen u molekule vode, u sastav mnogih stijena i minerala, organskih spojeva.
Struktura atoma kisika
Periodični sustav sadrži potpune informacije o kisiku:
- Serijski broj elementa je 8.
- Punjenje jezgre - +8.
- Ukupni broj elektrona je 8.
- Elektronska formula kisika je 1s22s22p4.
U prirodi postoje tri stabilna izotopa koji imaju isti serijski broj u periodnom sustavu, identičan sastav protona i elektrona, ali različit broj neutrona. Izotopi su označeni istim simbolom - O. Za usporedbu, predstavljamo dijagram koji odražava sastav triju izotopa kisika:
Svojstva kisika - kemijskog elementa
Na 2p-podrazini atoma postoje dva nesparena elektrona, što objašnjava pojavu oksidacijskih stanja –2 i +2. Dva uparena elektrona ne mogu se razdvojiti kako bi se oksidacijsko stanje povećalo na +4, kao kod sumpora i drugih halkogena. Razlog je nedostatak slobodne podrazine. Stoga u spojevima kemijski element kisik ne pokazuje valenciju i stupanjoksidacije jednake broju skupine u kratkoj verziji periodnog sustava (6). Njegov uobičajeni oksidacijski broj je -2.
Samo u spojevima s fluorom, kisik pokazuje nekarakteristično pozitivno oksidacijsko stanje +2. Vrijednost EO dva jaka nemetala je različita: EO(O)=3,5; EO (F)=4. Kao elektronegativniji kemijski element, fluor jače drži svoje elektrone i privlači valentne čestice na vanjskoj energetskoj razini atoma kisika. Stoga je kisik u reakciji s fluorom redukcijski agens, donira elektrone.
Kisik je jednostavna tvar
Engleski istraživač D. Priestley je 1774. tijekom eksperimenata ispustio plin tijekom razgradnje živinog oksida. Dvije godine ranije, K. Scheele je dobio istu tvar u čistom obliku. Samo nekoliko godina kasnije, francuski kemičar A. Lavoisier ustanovio je kakav je plin dio zraka, proučavao svojstva. Kemijska formula za kisik je O2. Odrazimo u zapisu o sastavu tvari elektrone koji sudjeluju u stvaranju nepolarne kovalentne veze - O::O. Zamijenimo svaki vezni elektronski par s jednom linijom: O=O. Ova formula kisika jasno pokazuje da su atomi u molekuli povezani između dva zajednička para elektrona.
Izvršimo jednostavne izračune i odredimo kolika je relativna molekularna težina kisika: Mr(O2)=Ar(O) x 2=16 x 2=32. Za usporedba: Mr(zrak)=29. Kemijska formula kisika razlikuje se od formule ozona za jedan atom kisika. Dakle, Mr(O3)=Ar(O) x 3=48. Ozon je 1,5 puta teži od kisika.
Fizička svojstva
Kisik je plin bez boje, okusa i mirisa (pri normalnoj temperaturi i atmosferskom tlaku). Tvar je nešto teža od zraka; topiv u vodi, ali u malim količinama. Talište kisika je negativno i iznosi –218,3 °C. Točka u kojoj se tekući kisik ponovno pretvara u plinoviti kisik je njegova točka vrelišta. Za O2 molekule, vrijednost ove fizičke veličine doseže –182,96 °C. U tekućem i čvrstom stanju kisik poprima svijetloplavu boju.
Proizvodnja kisika u laboratoriju
Kada se tvari koje sadrže kisik, kao što je kalijev permanganat, zagrijavaju, oslobađa se bezbojni plin koji se može prikupiti u tikvici ili epruveti. Unesete li upaljenu baklju u čisti kisik, ona gori jače nego u zraku. Dvije druge laboratorijske metode za dobivanje kisika su razgradnja vodikovog peroksida i kalijevog klorata (bertolet soli). Razmotrite shemu uređaja koji se koristi za termičku razgradnju.
Ulijte malo Bertholletove soli u epruvetu ili tikvicu s okruglim dnom, zatvorite čepom s cijevi za odvod plina. Njegov suprotni kraj treba biti usmjeren (pod vodom) u tikvicu okrenutu naopako. Vrat treba spustiti u široku čašu ili kristalizator napunjen vodom. Kada se epruveta s Bertholletovom soli zagrije, oslobađa se kisik. Ulazi kroz odzračnu cijev utikvicu, istiskujući vodu iz nje. Kad se tikvica napuni plinom, zatvori se pod vodom plutom i prevrne. Kisik dobiven u ovom laboratorijskom eksperimentu može se koristiti za proučavanje kemijskih svojstava jednostavne tvari.
Izgaranje
Ako laboratorij spaljuje tvari u kisiku, onda morate znati i pridržavati se vatrogasnih pravila. Vodik trenutno gori u zraku, a pomiješan s kisikom u omjeru 2:1, eksplozivan je. Izgaranje tvari u čistom kisiku mnogo je intenzivnije nego u zraku. Ovaj fenomen se objašnjava sastavom zraka. Kisika u atmosferi ima nešto više od 1/5 dijela (21%). Izgaranje je reakcija tvari s kisikom, uslijed čega nastaju različiti proizvodi, uglavnom oksidi metala i nemetala. Mješavine O2 sa zapaljivim tvarima su zapaljive, osim toga, dobiveni spojevi mogu biti otrovni.
Izgaranje obične svijeće (ili šibice) je popraćeno stvaranjem ugljičnog dioksida. Sljedeće iskustvo možete napraviti kod kuće. Ako spalite neku tvar ispod staklene posude ili velike čaše, tada će izgaranje prestati čim se potroši sav kisik. Dušik ne podržava disanje i izgaranje. Ugljični dioksid, produkt oksidacije, više ne reagira s kisikom. Bistra vapnena voda omogućuje otkrivanje prisutnosti ugljičnog dioksida nakon izgaranja svijeće. Ako se produkti izgaranja propuštaju kroz kalcijev hidroksid, otopina postaje mutna. Kemijska reakcija odvija se između vapnene vode i ugljičnog dioksida, što rezultira netopivim kalcijevim karbonatom.
Proizvodnja kisika u industrijskim razmjerima
Najjeftiniji proces, koji rezultira molekulama O2 bez zraka, ne uključuje kemijske reakcije. U industriji, recimo, u metalurškim postrojenjima, zrak se ukapljuje pri niskoj temperaturi i visokom tlaku. Najvažnije komponente atmosfere, kao što su dušik i kisik, ključaju na različitim temperaturama. Odvojite smjesu zraka uz postupno zagrijavanje do normalne temperature. Prvo se oslobađaju molekule dušika, zatim kisik. Metoda razdvajanja temelji se na različitim fizikalnim svojstvima jednostavnih tvari. Formula za jednostavnu tvar kisika ista je kao prije hlađenja i ukapljivanja zraka, - O2.
Kao rezultat nekih reakcija elektrolize, također se oslobađa kisik, koji se skuplja preko odgovarajuće elektrode. Plin je potreban industrijskim i građevinskim poduzećima u velikim količinama. Potražnja za kisikom stalno raste, posebice u kemijskoj industriji. Dobiveni plin se skladišti za industrijske i medicinske svrhe u čeličnim bocama s oznakama. Spremnici za kisik obojeni su plavom ili plavom bojom kako bi se razlikovali od drugih ukapljenih plinova - dušika, metana, amonijaka.
Kemijski izračuni korištenjem formule i jednadžbi reakcija koje uključuju molekule O2
Numerička vrijednost molarne mase kisika poklapa se s drugom vrijednošću - relativnom molekulskom težinom. Samo u prvom slučaju postoje jedinicemjerenja. Ukratko, formulu za tvar kisika i njezinu molarnu masu treba napisati na sljedeći način: M(O2)=32 g/mol. U normalnim uvjetima, mol bilo kojeg plina odgovara volumenu od 22,4 litre. Dakle, 1 mol O2 je 22,4 litara tvari, 2 mol O2 je 44,8 litara. Prema jednadžbi reakcije između kisika i vodika, možete vidjeti da 2 mola vodika i 1 mol kisika međusobno djeluju:
Ako je 1 mol vodika uključen u reakciju, tada će volumen kisika biti 0,5 mol • 22,4 l/mol=11,2 l.
Uloga molekula O2 u prirodi i ljudskom životu
Kisik troše živi organizmi na Zemlji i uključen je u kruženje materije više od 3 milijarde godina. Ovo je glavna tvar za disanje i metabolizam, uz njegovu pomoć dolazi do razgradnje molekula hranjivih tvari, sintetizira se energija potrebna organizmima. Kisik se na Zemlji stalno troši, ali se njegove rezerve obnavljaju fotosintezom. Ruski znanstvenik K. Timiryazev vjerovao je da zahvaljujući ovom procesu život još uvijek postoji na našem planetu.
Uloga kisika u prirodi i gospodarstvu je velika:
- apsorbiraju tijekom disanja živi organizmi;
- sudjeluje u reakcijama fotosinteze u biljkama;
- dio organskih molekula;
- procesi propadanja, fermentacije, hrđe odvijaju se uz sudjelovanje kisika koji djeluje kao oksidacijsko sredstvo;
- koristi se za proizvodnju vrijednih proizvoda organske sinteze.
Ukapljeni kisikcilindri se koriste za rezanje i zavarivanje metala na visokim temperaturama. Ovi se procesi provode u strojevima, u transportnim i građevinskim poduzećima. Za obavljanje poslova pod vodom, pod zemljom, na velikoj visini u vakuumu, ljudima su također potrebne O2 molekule. Jastuci s kisikom se u medicini koriste za obogaćivanje sastava zraka koji udišu bolesni ljudi. Plin za medicinske potrebe razlikuje se od tehničkog plina po gotovo potpunom odsustvu nečistoća i mirisa.
Kisik je idealno oksidaciono sredstvo
Spojevi kisika poznati su sa svim kemijskim elementima periodnog sustava, osim za prve predstavnike obitelji plemenitih plinova. Mnoge tvari izravno reagiraju s O atomima, osim halogena, zlata i platine. Od velike su važnosti pojave koje uključuju kisik, koje su popraćene oslobađanjem svjetlosti i topline. Takvi se procesi naširoko koriste u svakodnevnom životu i industriji. U metalurgiji se interakcija ruda s kisikom naziva prženje. Prethodno zdrobljena ruda se miješa sa zrakom obogaćenim kisikom. Pri visokim temperaturama metali se reduciraju iz sulfida u jednostavne tvari. Tako se dobiva željezo i neki obojeni metali. Prisutnost čistog kisika povećava brzinu tehnoloških procesa u raznim granama kemije, tehnologije i metalurgije.
Pojava jeftine metode dobivanja kisika iz zraka razdvajanjem na komponente na niskoj temperaturi potaknula je razvoj mnogih područjaindustrijska proizvodnja. Kemičari smatraju O2 molekule i O atome idealnim oksidacijskim agensima. To su prirodni materijali, stalno se obnavljaju u prirodi, ne zagađuju okoliš. Osim toga, kemijske reakcije koje uključuju kisik najčešće završavaju sintezom drugog prirodnog i sigurnog proizvoda - vode. Uloga O2 je velika u neutralizaciji toksičnog industrijskog otpada, pročišćavanju vode od onečišćenja. Osim kisika, za dezinfekciju se koristi njegova alotropna modifikacija, ozon. Ova jednostavna tvar ima visoku oksidacijsku aktivnost. Kada se voda ozonizira, zagađivači se razgrađuju. Ozon također ima štetan učinak na patogenu mikrofloru.
