Главная
страница 1страница 2страница 3страница 4страница 5

Кислород.


Кислород является самым распространённым элементом земной коры. В атмосфере его находится около 23 вес.%, в составе воды — около 89 %, в человеческом организме — около 65 %, в песке содержится 53 % кислорода, в глине — 56 % и т.д. Если подсчитать его количество в воздухе (атмосфере), воде (гидросфере) и доступной непосредственному химическому исследованию части твёрдой земной коры (литосфере), то окажется, что на долю кислорода приходится примерно 50 % их общей массы. Свободный кислород содержится почти исключительно в атмосфере, причём количество его оценивается в 1,21015 т. При всей громадности этой величины она не превышает 0,0001 общего содержания кислорода в земной коре.

Изучение химических превращений земной коры составляет предмет геохимии. С позиций этой науки значение того или иного элемента для протекающих в земной коре химических взаимодействий определяется его относительным числом атомов. Поэтому более правильным является сопоставление распространённости отдельных элементов не в весовых, а в атомных процентах. Последние находят, деля весовые проценты на соответствующие атомные веса и выражая каждый полученный таким путём атомный фактор в долях от их общей суммы, принятой за 100. Для кислорода подобный пересчёт даёт цифру 52,3. Таким образом, более половины всех составляющих земную кору атомов приходится на долю кислорода.

Древнейшая атмосфера Земли, по-видимому, не содержала свободного кислорода. Можно предполагать, что первичное его появление было обусловлено происходящим под действием ультрафиолетовых лучей Солнца разложением молекул водяного пара по общей схеме:

2 Н2О = 2 Н2 + О2.

Возникавший таким путём водород уходил вверх, а главная масса кислорода расходовалась на взаимодействие со способными окисляться веществами. Быстрое обогащение атмосферы кислородом началось, вероятно, лишь после появления на Земле растительности.

Кислород был открыт в 1774 г. Хотя вблизи земной поверхности атмосфера содержит его в виде молекул (О2), выше 100 км основной формой существования этого элемента становится атомарная. Распад молекул О2 на атомы осуществляется под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца.

Соединение отдельных атомов кислорода в молекулы О2 сопровождается значительным выделением энергии (250 кДж/моль атомов). Есть предположение, что это может быть использовано для обеспечения полётов на больших высотах.

Свободный кислород состоит из двухатомных молекул. Под обычным давлением он сжижается при 183 С и затвердевает при 219 С. В газообразном состоянии кислород бесцветен, а в жидком и твёрдом имеет бледно-синюю окраску.

Критическая температура кислорода равна 118 С, критическое давление 50 атм. Жидкий кислород имеет плотность 1,14 г/см3 (при температуре кипения) и характеризуется теплотой испарения 7 кДж/моль. Плотность твёрдого кислорода (при температуре плавления) равна 1,27 г/см3, а его теплота плавления 0,5 кДж/моль. Для твёрдого кислорода характерны кристаллы трёх различных типов, причём каждый из них устойчив в определённых пределах температур: ниже 249 С, от 249 до 229 С, и от 229 С до температуры плавления. Пограничные значения температур между такими областями устойчивости (в данном случае 249 и 229 С) носят название точек перехода.

Лабораторное получение кислорода основано на разложении богатых им, но сравнительно непрочных веществ. Обычно применяется хлорат калия (“бертолетова соль”), распадающийся при нагревании на хлорид калия и кислород:

2 KClO3 = 2 KCl + 3 O2.

Эта реакция интересна тем. что она значительно ускоряется и идёт при более низких температурах, если к KClO3 предварительно добавить немного двуокиси марганца (MnO2), количество которой после окончания процесса остаётся неизменным. Подобные двуокиси марганца вещества, ускоряющие реакции, но в результате их сами остающиеся химически неизменными, называются катализаторами. Каталитическая активность веществ специфична, т.е. какое-либо из них, служащее хорошим катализатором для одной реакции, нередко оказывается совершенно недеятельным при другой. Вместе с тем для реакции, катализируемой каким-либо одним веществом, можно обычно подобрать ещё ряд катализаторов. Так, при разложении KClO3 вместо MnO2 можно применить оксид железа (III) (Fe2O3), оксид хрома (III) (Cr2O3) и т.д.

Для получения медленного и равномерного тока кислорода вместо MnO2 к KClO3 примешивают измельчённую поваренную соль. Однако в этом случае нагревание должно быть более сильным. При точных работах следует иметь в виду, что полученный путём разложения КCIO3 кислород обычно содержит следы хлора.

Кислород может быть получен в лаборатории также рядом других методов, из которых наиболее удобны следующие: а) слабое прокаливание КМnO4; б) приливание по каплям раствора КМnO4 к подкисленному серной кислотой раствору Н2О2; в) действие воды в присутствии солей кобальта на пероксид натрия; г) действием разбавленной азотной кислоты на смесь равных весовых частей ВаО2 и РbO2; д) разложение воды, содержащей Н2SO4 или NaOH, постоянным электрическим током (одновременно образуется также водород). Для получения особо чистого кислорода (содержащего только примесь водяного пара) электролизу подвергают освобождённый кипячением от растворимых газов воздуха сернокислый раствор К2СrO4. Ежегодная мировая добыча кислорода исчисляется миллионами тонн.

В полевых условиях для получения кислорода удобно пользоваться тесной смесью 100 вес. ч. КCIO3 c 13 вес. ч. MnO2 и небольшим количеством угольной пыли. Смесь эта — оксигенит — начинает выделять кислород при её поджигании. Очистка от СО2 может быть осуществлена пропусканием выделяющегося газа сквозь сосуд с влажной гашеной известью.

Основным источником промышленного получения кислорода является жидкий воздух. Выделяемый из него кислород содержит обычно лишь незначительные количества примесей азота и тяжелых инертных газов. Для получения особо чистого кислорода пользуются иногда разложением воды электрическим током.

В 100 объёмах воды растворяется про 0 С около пяти объёмов кислорода, при 20 С — около трёх. Воды гидросферы содержат 1,51013 т растворённого кислорода. Растворимость его в воде имеет громадное значение для жизни, так как служит источником энергии живых организмов процесс дыхания осуществляется с участием растворённого кислорода.

Химическая сущность дыхания состоит в соединении углерода и водорода органических веществ с кислородом воздуха. Как у животных, так и у растений оно происходит в химическом смысле одинаково. Однако у растений параллельно протекает процесс питания: под действием солнечных лучей организм растений синтезирует необходимые ему органические вещества из углекислого газа и воды, причём свободный кислород возвращается в атмосферу. Общее его количество, выделяемое растениями в процессе дыхания, примерно в шесть раз больше потребляемого ими при дыхании.

Дыханию живых организмов аналогичны в химическом отношении протекающие повсюду разнообразные процессы окисления. В узком смысле слова под окислением понимается соединение вещества с кислородом. Так как последний является одним из самых активных химических элементов, он более или менее энергично реагирует почти со всеми остальными. Если окисление протекает с большим выделением тепла и света, то его называют горением. Медленно протекающие процессы окисления в зависимости от характера окисляющегося вещества называют ржавлением (для железа), тлением (для органических остатков) или чаще всего просто окислением.

Окислительные процессы протекают гораздо энергичнее в чистом кислороде, чем на воздухе. Например, тлеющая лучинка вспыхивает и ярко горит в кислороде, Такой же эффект из всех бесцветных газов даёт только гемиоксид азота, почти не встречающийся на практике. Поэтому проба на тлеющую лучинку часто служит для доказательства того, что испытываемый газ является именно кислородом.

Кислород широко применяется для получения высоких температур, которые достигаются путём сжигания различных горючих газов (водорода, светильного газа и т.д.) в смеси не с воздухом, а с чистым кислородом. Особенно распространено применение кислорода в смеси с ацетиленом (температура пламени около 3000 С) для сварки и резки металлов. В медицине вдыхание кислорода иногда назначается при некоторых отравлениях, заболеваниях лёгких и др. Очень большое практическое значение имеет использование кислорода (чаще — обогащенного им воздуха) для интенсификации ряда важнейших производственных процессов металлургической и химической промышленности.

Кислород держат в голубых баллонах с чёрной надписью “Кислород”. Большие его количества хранят и перевозят в жидком состоянии. Для этого служат специальные ёмкости (“танки”) с хорошей теплоизоляцией. Исправный танк на 1 т теряет за час не более 4 кг кислорода (путём испарения сквозь отверстие в верхней части). Жидкий кислород применяется для заправки ракет.

Используемое в ракетах реактивное вещество обычно слагается из горючего вещества и окислителя. Оно должно одновременно удовлетворять ряду условий (скорость сгорания, теплотворная способность, температура пламени, характер продуктов сгорания и др.), далеко не всегда совместимых друг с другом. Важной числовой характеристикой такого топлива является его удельный импульс (удельная тяга). Чем он больше, чем меньший расход топлива требуется для получения заданной тяги. Удельный импульс определяется как отношение развиваемой тяги (кГ) к секундному расходу топлива (кГ/с) и обычно не превышает 300 с. Например, удельный импульс часто применяемой в небольших ракетах смеси спирта с кислородом (при наиболее принятых условиях сопоставления — давлении около 20 атм в камере сгорания) составляет примерно 250 с (а смеси керосина с кислородом — примерно 300 с).

В результате разнообразных процессов окисления кислород постоянно переходит из свободного состояния в связанное. Однако количество свободного кислорода остаётся практически неизменным, так как убыть его компенсируется жизнедеятельностью растений.


Озон.

В 1840 году было получено газообразное вещество, состоящее из молекул О3 и сильно отличающееся по свойствам от обычного кислорода (О2). Новый газ, обладающий характерным запахом , назвали озоном (по-гречески — “пахучий”).

Подобно обычному кислороду, озон представляет собой простое вещество. Он является аллотропной модификацией кислорода.

Газообразный озон голубоватого цвета, в жидком состоянии, в твёрдом — почти чёрным. Температура плавления озона 192 С, температура кипения 112 С. Во всех агрегатных состояниях озон способен взрываться от удара. Растворимость его в воде гораздо больше, чем кислорода.

При нормальном давлении озона 100 объёмов воды растворяют при обычных температурах около 45 объёмов этого газа. Ещё лучшим его растворителем является четырёххлористый углерод, один объём которого в тех же условиях поглощает около трёх объёмов озона. Такой раствор имеет красный цвет.

У земной поверхности озон образуется главным образом при грозовых разрядах и окислении некоторых органических веществ. В связи с этим заметные его количества содержатся в воздухе хвойных лесов, где окислению подвергается древесная смола, и на берегу моря, где окислению подвергаются выброшенные прибоем водоросли. Очень небольшое содержание озона в воздухе благотворно действует на организм человека, особенно при болезнях дыхательных путей.


Среднее содержание озона в воздухе у земной поверхности составляет обычно от 0,01 до 0,06 мг/м3. Общее его содержание в атмосфере соответствует слою газа толщиной приблизительно в 3 мм (при нормальном давлении). Основная масса озона сосредоточена в высоких слоях воздуха (10-30 км), где он образуется из кислорода под действием ультрафиолетовых лучей Солнца с длиной волны до 185 нм. Более длинные волны (200-320 нм с максимумом действия при 255 нм) вызывают, наоборот, распад озона. Поэтому, в атмосфере существует подвижное между процессами образования и распада озона, на поддержание которого затрачивается около 5% всей идущей к Земле солнечной энергии. Поглощение озоном коротковолнового излучения Солнца имеет очень большое биологическое значение: если бы эти “жёсткие” лучи свободно достигали земной поверхности, они быстро убили бы всю жизнь на ней.

Запах озона становится заметным при концентрации его более 1:109 по объёму. Продолжительное пребывание в атмосфере с содержанием озона порядка 1:106 вызывает раздражительность, чувство усталости и головную боль. При более высоких концентрациях к этим симптомам добавляется тошнота, кровотечение из носа и воспаление глаз. В производственных условиях озон может образовываться всюду, где происходят электрические разряды или действует коротковолновое излучение. Повышенное его содержание часто обнаруживается, например, в рентгеновских кабинетах. Максимально допустимой концентрацией озона в закрытых помещениях считается 0,1 мг/м3.

Получают озон чаще всего действием на газообразный кислород тихого разряда (электрического разряда без свечения и искр). Применяемый для этого прибор — озонатор. Тихий разряд происходит в пространстве между стенками внутреннего и внешнего стеклянных сосудов. Выходящий из озонатора кислород содержит несколько процентов озона. Его образование сопровождается уменьшением объёма, так как по реакции: 3 О2 2 О3 из трёх объёмов кислорода получается два объёма озона.

Более или менее значительный процент озона содержится в кислороде, образующимся при распаде различных пероксидных соединений. Небольшие количества озона можно получать нагреванием (в пробирке) персульфата аммония с концентрированной азотной кислотой или действием концентрированной серной кислоты на пероксид бария. С хорошим выходом —более 20 вес.% — озон может быть получен в больших количествах электролизом концентрированных (40 вес.%) водных растворов хлорной кислоты при низких температурах (ниже 50 С) и уменьшенном давлении (0,1 атм).

Озон сравнительно легко самопроизвольно переходит в кислород, что сопровождается значительным выделением энергии. Следовательно, образование озона связано с поглощением такого же количества энергии. Это вытекает из общего принципа термохимии, согласно которому при образовании любого соединения поглощается (выделяется) точно такое же количество энергии, какое выделяется (поглощается) при его распаде на исходные вещества.

Это по существу частный случай закона сохранения и превращения энергии: энергия не возникает из нечего и не исчезает бесследно, но отдельные её виды могут переходить друг в друга по строго определённым эквивалентным соотношениям.

Термохимия изучает энергетические изменения при химических превращениях. В зависимости от характера процесса и условий его протекания энергия может выделяться или поглощаться в различных формах. Ввиду взаимной эквивалентности отдельных видов энергии все они могут быть выражены в тепловых единицах.

Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими, протекающие с его поглощением — эндотермическими. Выделение или поглощённое количество энергии может быть указано в уравнении реакции, причём он относится к тому числу молей вещества, которое входит в уравнение. Так, для распада и образования озона имеет:

экзотермическая реакция

2 О3 = 3 О2 + 284 кДж

эндотермическая реакция

Уравнение показывает, что при распаде (образовании) двух молей озона (96 г) выделяется (поглощается) 284 кДж.

“Вопрос о количестве теплоты, выделяемой или поглощаемой при химических реакциях, очень сложен, так как рядом с химическим процессом имеют место и физические явления, также могущие влиять на термическую сторону дела”, — писал Д.И. Менделеев в 1875 г. В частности, на общее выделение или поглощение энергии при той или иной химической реакции более или менее существенное влияние оказывает переход реагирующих веществ из одного агрегатного состояния в другое, как все подобные переходы связаны с выделением или поглощением энергии.

В термохимии агрегатное состояние исходных веществ и получающихся продуктов условно обозначаются, заключая формулы твёрдых при условиях протекания реакции веществ в квадратные скобки, жидких — в фигурные (или оставляя их без скобок) и газообразных — в круглые. Другой часто применяемый способ обозначения агрегатных состояний использует начальные буквы их названий — (г), (ж) и (т) в виде индексов при формулах.

Термохимические уравнения часто относят к одной моль получившегося вещества. В соответствии с этим реакция распада озона записывает следующим образом:

2/3 (О3) = (О2) + 95 кДж или 2/3 О3(г) = О2(г) + 95 кДж.

При отсутствии указаний относительно агрегатных состояний входящих в уравнение веществ подразумевается, что они находятся в том виде, который соответствует условиям протекания реакции, а если эти условия не оговорены, то обычным условиям (комнатная температура, атмосферное давление).

Химические процессы проводятся обычно под неизменным (чаще всего — атмосферным) давлением, но при различных температурах, причём изменение температуры влияет на тепловой эффект. Например, для реакции по уравнению

2 (SO2) + (O2) = 2 (SO3) + Q имеем:

Температура, С

25

400

500

600

700

Q, кДж

196

190

188

186

184

Подобным же образом теплота синтеза аммиака по уравнению:

(N2) + 3 (H2) = 2 (NH3) + Q,

равная 92 кДж при 25 С, составляет 106 кДж при 500 С и 110 кДж при 660 С. Так как научная литература по международному соглашению (в целях сопоставимости) обычно приводит данные, отнесённые к 25 С, ими приходится пользоваться для оценки тепловых эффектов реакций, протекающих и при других температурах. Приведённые примеры показывают, что привносимые этим ошибки, как правило, невелики.

Следует также отметить различие знаков тепловых эффектов, принятых в термохимии и термодинамике. Термохимия рассматривает энергетику процессов с точки зрения их наблюдателя, т. е. положительным знаком отмечает выделение тепла при реакциях. Напротив, термодинамика рассматривает процессы с точки зрения увеличения или уменьшения запаса энергии в самих веществах и положительным знаком отмечает поглощение тепла. Поэтому при пользовании справочниками необходимо прежде всего установить проводимую в них систему обозначений. В настоящей книге принята термохимическая система.

Сами соединения, образующиеся с выделением энергии, называются экзотермичными, а образующиеся с поглощением энергии — эндотермичными. Подобные озону эндотермичные вещества всегда имеют склонность к распаду (и тем большую, чем более они эндотермичны). Все они, следовательно, более или менее неустойчивы. Однако многие из них всё же можно сохранить, так как при обычных условиях разложение практически не идёт. В частности, это относится к озону, смешанному с избытком кислорода. Вместе с тем чистый озон чрезвычайно взрывчат, и поэтому работы с ним весьма опасны.

Распад молекулы озона инициируется, по-видимому, её столкновением с какой-либо другой частицей (Х). Действительный ход превращения озона в обычный кислород хорошо описывается следующими уравнениями:

О3 + Х = Х + О2 + О

и затем О + О3 = 2 О2.

Почленное сложение этих двух реакций (с сокращением одинаковых членов) приводит к: 2 О3 = 3 О2.

Взрывоопасность озона резко уменьшается при полном исключении возможности его соприкосновения даже со следами способных окисляться веществ. Эффективным путём повышения стабильности (устойчивости) озона является предварительное пропускание исходного молекулярного кислорода сквозь слой нагретого до 700 С оксида меди. Газообразные смеси озона с кислородом не взрывообразны лишь при содержании в них более 80 объёмн. % кислорода.

Молекула О3 легко отдаёт один атом кислорода. Поэтому озон является сильным окислителем. Под его действием почти все металлы (кроме Аи, Рt и Ir) превращаются в оксиды, сернистые соединения окисляются в сернокислые, аммиак — в азотистую и азотную кислоты и т.д. Резина очень быстро разрушается озоном, а многие другие органические вещества (например, спирт) при соприкосновении с ним воспламеняются. Эта исключительно высокая окислительная активность озона и является его наиболее характерным химическим свойством.

После некоторого поверхностного окисления довольно хорошо противостоят действию озона Сu, Ni и Sn. Не разрушается озоном также сплав железа (не содержащий углерода) с 25% хрома.

Практическое применение озона основано на его сильном окисляющем и стерилизующем действии. Под действием озона погибают не только бактерии, но и грибковые образования и вирусы. Озонированным воздухом пользуются для дезинфекции помещений (холодильных складов и др.), устранения неприятных запахов (в курительных комнатах и т.д.), стерилизацией питьевой воды, кондиционирования воздуха и проведением других окислительных процессов. Сжигание горючих веществ а атмосфере озона создаёт возможность резкого ускорения сгорания веществ в атмосфере озона создаёт возможность резкого ускорения сгорания и получения более высоких температур, чем при сжигании тех же веществ в кислороде. Поэтому озон представляет большой интерес для реактивной техники.



<< предыдущая страница   следующая страница >>
Смотрите также:
Воздух. Кислород. Воздух
703.27kb.
5 стр.
Воздушно-космическая оборона
157.3kb.
1 стр.
Daikin Ururu Sarara – первая в Европе система с тепловым насосом «воздух-воздух» на хладагенте R32 Осенью 2013 года компания Daikin представит первую в Европе коммерческую систему с тепловым насосом «воздух-воздух»
32.13kb.
1 стр.
Кассетные сплит системы
50.13kb.
1 стр.
Прощай, страна льда!
142.4kb.
1 стр.
Иван Воронцов
29.77kb.
1 стр.
Опасные грузы, запрещенные к перевозке при любых обстоятельствах
18.09kb.
1 стр.
Уведомление о проведении открытого запроса предложений на право заключения договора на выполнение работ по ремонту энергоразводок (сжатый воздух, кислород, сварочные посты, термообработка) для нужд зао «Нижневартовская грэс» в 2013г
55.95kb.
1 стр.
Стихи. Огонь и воздух
260.26kb.
1 стр.
Название: Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух.
13953.2kb.
73 стр.
1. 1 Воздух атмосферный
783.61kb.
4 стр.
Около 1% солнечной энергии, которую получает Земля, приводит в движение атмосферные воздушные массы. Это происходит, когда воздух начинает перемещаться из-за разницы температур в различных местах Земли
71.38kb.
1 стр.