Химия · Химия элементов · 7 класс

Кислород и озон

Почему тлеющая лучинка вспыхивает в кислороде и от чего нас защищает озоновый слой?

Ситуация

В больнице пациенту, которому тяжело дышать, подают через маску чистый кислород — он поступает из голубого стального баллона. Откуда берётся этот кислород? В школьной лаборатории его можно получить нагреванием марганцовки и собрать в пробирку над водой: если опустить в эту пробирку тлеющую лучинку, она ярко вспыхнет. Почему железная проволока на воздухе не горит, а в кислороде горит, рассыпая искры? А другая форма кислорода — озон — на высоте 20–30 км защищает нас от каких лучей Солнца?

Тема

Кислород и озон. Кислородный баллон в больнице и озоновый слой: получение кислорода нагреванием марганцовки — тлеющая лучинка снова вспыхивает

Ключевые понятия

Получение и собирание кислорода
Проба тлеющей лучинкой
Озоновый слой

Формулы

2 KMnO_{4} \overset{\overset{}{t}}{\to} K_{2} MnO_{4} + MnO_{2} + O_{2} ↑

В лаборатории: нагревание перманганата калия (марганцовки) — разлагается примерно с 240 °C.

2 H_{2} O_{2} \overset{\overset{}{MnO_{2}}}{\to} 2 H_{2} O + O_{2} ↑

Пероксид водорода разлагается при комнатной температуре; MnO₂ — катализатор, сам не расходуется.

n (O_{2}) = \frac{1}{2} n (KMnO_{4}), V = n V_{m}

Объём выделяющегося кислорода: при н. у. $V_{m}$ = 22,4 л/моль, при 20 °C ≈ 24,1 л/моль.

3 Fe + 2 O_{2} \overset{}{\to} Fe_{3} O_{4}

Железо горит в кислороде, рассыпая искры, — образуется железная окалина.

I = I_{0} e^{- σ N / \sin h}

УФ-излучение, прошедшее через озоновый слой: $σ$ — сечение поглощения озона, $N$ — количество озона, $h$ — высота Солнца.

Теория

Кислород в природе и его физические свойства

Кислород (O) — самый распространённый элемент в земной коре: почти половина её массы. 20,95 % объёма воздуха — простое вещество O₂, 89 % массы воды — кислород. O₂ — бесцветный газ без запаха, $M_{r}$ = 32; немного тяжелее воздуха: $D_{возд} = 32 / 29 \approx 1,1$ , плотность при н. у. 1,43 г/л. В воде растворяется плохо: в воде, насыщенной воздухом при 20 °C, его ≈ 9 мг/л — рыбы дышат именно этим кислородом. При −183 °C сжижается; жидкий кислород светло-голубой и притягивается магнитом.

Получение: в лаборатории и в промышленности

В лаборатории кислород получают разложением веществ, богатых кислородом. Перманганат калия (марганцовка) при нагревании разлагается: $2 KMnO_{4} \overset{}{\to} K_{2} MnO_{4} + MnO_{2} + O_{2} ↑$ . Если к раствору пероксида водорода добавить немного оксида марганца(IV), он вспенивается при комнатной температуре: $2 H_{2} O_{2} \overset{}{\to} 2 H_{2} O + O_{2} ↑$ . MnO₂ ускоряет реакцию, но сам не расходуется — это катализатор. Бертолетова соль тоже даёт кислород при нагревании с MnO₂: $2 KClO_{3} \overset{}{\to} 2 KCl + 3 O_{2} ↑$ . В промышленности кислород получают из воздуха: воздух охлаждают до сжижения, затем медленно испаряют — азот (−196 °C) кипит раньше, кислород (−183 °C) позже. Кислород хранят в стальных баллонах под давлением ≈ 15 МПа: в 40-литровом баллоне ≈ 6 м³ газа. Применение: в медицине — для дыхания, в металлургии — при выплавке чугуна и стали (воздух обогащают кислородом), при сварке и резке металлов (ацетилен-кислородное пламя), жидкий кислород — окислитель ракетного топлива.

Практическая работа: собираем и распознаём кислород

O₂ плохо растворяется в воде, поэтому его можно собирать вытеснением воды: пробирку, заполненную водой, переворачивают в ванне, а газоотводную трубку подводят под неё. O₂ тяжелее воздуха, поэтому при сборе вытеснением воздуха пробирку держат отверстием вверх. Кислород узнают по тлеющей лучинке: в газе, богатом кислородом, она ярко вспыхивает. Первые пузырьки — это воздух из установки (нагретый воздух расширяется и выходит), поэтому газ в первой пробирке нечистый. Расчёт: $n (O_{2}) = \frac{1}{2} n (KMnO_{4})$ , $V = n V_{m}$ : из 3 г KMnO₄ теоретически выделяется 9,49 ммоль, то есть 213 мл (н. у.) кислорода.

Химические свойства: горение и окисление

Кислород — сильный окислитель: многие простые вещества соединяются с ним, образуя оксиды. Уголь: $C + O_{2} \overset{}{\to} CO_{2}$ ; сера (синее пламя): $S + O_{2} \overset{}{\to} SO_{2}$ ; фосфор (белый дым): $4 P + 5 O_{2} \overset{}{\to} 2 P_{2} O_{5}$ ; магний (белый свет): $2 Mg + O_{2} \overset{}{\to} 2 MgO$ ; железо (искры): $3 Fe + 2 O_{2} \overset{}{\to} Fe_{3} O_{4}$ . В чистом кислороде горение гораздо бурнее, чем на воздухе: в воздухе только пятая часть молекул — O₂, а в чистом кислороде почти все — молекулы кислорода гораздо чаще ударяются о поверхность топлива, теплота выделяется быстрее. Поэтому железная проволока на воздухе не горит, а в кислороде горит. Соединение вещества с кислородом — окисление; ржавление и дыхание — медленное окисление.

Озон и озоновый слой

Озон O₃ — аллотропная модификация кислорода: один элемент образует два разных простых вещества. Озон — светло-синий газ с резким запахом, гораздо более сильный окислитель, чем O₂. Он образуется в электрическом разряде (молния, озонатор): $3 O_{2} \overset{}{\to} 2 O_{3}$ ; а в стратосфере коротковолновое (короче 242 нм) УФ-излучение Солнца расщепляет O₂ на атомы, и атом, соединяясь с O₂, даёт O₃. Основная часть озона находится на высоте 15–35 км — это озоновый слой. Он поглощает излучение с длиной волны короче 320 нм: УФ-C полностью, большую часть УФ-B. Если бы весь озон собрать при н. у., получился бы слой толщиной всего ≈ 3 мм (300 единиц Добсона). Хлор из фреонов разрушает озон: там, где озона меньше 220 е. Д., — озоновая дыра; Монреальский протокол 1987 года поэтапно запретил фреоны. Озон используют для обеззараживания питьевой воды (озонирование); а озон у поверхности земли вреден для дыхательных путей.

Биологическое значение, безопасность и модель

При дыхании кислород окисляет питательные вещества, давая энергию: $C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} \overset{}{\to} 6 CO_{2} + 6 H_{2} O$ ; растения при фотосинтезе делают обратное, возвращая кислород в воздух, — так происходит круговорот кислорода в природе. В медицине чистый кислород дают при нехватке дыхания. Безопасность: надевайте защитные очки, берите вещества в малых количествах; перед тем как погасить спиртовку, выньте газоотводную трубку из воды — иначе остывающий газ втянет воду обратно, и нагретая пробирка лопнет; серу и фосфор сжигайте в вытяжном шкафу, используйте только красный фосфор, не смотрите на горящий магний. Модель: KMnO₄ разлагается по школьному уравнению (на самом деле O₂ выделяется чуть больше); газ в установке и в пробирке смешивается равномерно; тлеющая лучинка вспыхивает, когда доля O₂ превышает 50 % (граница модели, реальная граница зависит от лучинки); скорости горения схематичны; озон: закон Бугера–Ламберта–Бера, сечения поглощения при 298 К (Молина и Молина, 1986), рассеяние и облака не учитываются; разрез атмосферы в масштабе 1 м = 50 км, предметы на земле показаны без масштаба.

Знаете ли вы?

Кислород независимо друг от друга открыли шведский химик Карл Шееле (1771–1772) и английский учёный Джозеф Пристли (1774): Пристли нагревал оксид ртути(II) линзой. Название «Oxygène» («рождающий кислоту») дал французский химик Антуан Лавуазье.
Жидкий кислород светло-голубой и парамагнитный: если налить его между полюсами сильного магнита, он не вытекает, а повисает между полюсами. Жидкий азот так не делает.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Воздух: состав и загрязнение — 7 класс
Водород — самый лёгкий газ — 7 класс
Вода: состав и свойства — 7 класс
Полезные ископаемые — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс