Кислород

Кислород – элемент второго периода, шестой группы главной подгруппы. Для кислорода как простого вещества характерны две аллотропные модификации двухатомный кислород O₂ и трёхатомный озон O₃. Исходя из электронного строения кислорода определим характерные степени окисления:

Наиболее устойчивые степени окисления: -2, -1 и 0. Стоит также обратить внимание, что у кислорода максимальная валентность не совпадает по модулю с максимальной степенью окисления: может образоваться третья донорно-акцепторная связь за счёт электронной пары кислорода на 2p-подуровне, то есть максимальная валентность кислорода равна трём (III).

Образование донорно-акцепторной связи (зелёный цвет) на примере молекулы угарного газа

Степень окисления 0

Кислород O₂, как и озон O₃, являются сильными окислителями, в них «сгорает» большое число как простых веществ:

4Fe + 3O₂ (избыток) = 2Fe₂O₃

4Li + O₂ = 2Li₂O

2Na + O₂ = Na₂O₂

N₂ + O₂ = 2NO (под действием электрического разряда)

2Ag + O₃ = Ag₂O + O₂

Так и сложных веществ:

4FeS₂ + 11O₂ (избыток) = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

HgS + O₂ = Hg + SO₂ (HgO термически неустойчив)

2SO₂ + O₂ = SO₃ (катализатор: V₂O₅)

2NaI + O₃ + H₂O = I₂ + O₂ + 2NaOH (качественная реакция на озон за счёт выделение иода в качестве чёрного осадка)

Общая схема превращений:

Озон O3 является значительно более сильным окислителем в виду своей напряжённой треугольной формы:

В виду такой напряжённой структуры озон относительно легко разрушается, в ходе этого высвобождается кислород в атомарном состоянии – который и обеспечивает такую сильную окислительную способность озона.

Степени окисления -2 и -1

В случае степени окисления -2 наиболее распространённые представители — это оксиды, гидроксиды и соли, в случае -1 это пероксиды:

В случае кислорода в степени окисления -2 наиболее характерные типы реакций это кислотно-основные и реакции ионного обмена:

Na₂O + SO₃ = Na₂SO₄

Ca(NO₃)₂ + K₂CO₃ = CaCO₃ + K₂CO₃

Для пероксидов, в основном, характерны реакции окислительно-восстановительного типа, причём возможны несколько ситуаций:

• Пероксид реагирует с окислителем, тогда O^-1 переходит в O₂;
• Пероксид реагирует с восстановителем, тогда O^-1 переходит в O^-2
• Пероксид диспропорционирует, давая O₂ и O^-2.

Приведём примеры данных свойств в таблице:

Способы получения кислорода

• Промышленные способы – это фракционная перегонка воздуха и электролитическое разложение воды:

2H₂O = 2H₂ + O₂

• Лабораторные способы – это, например, каталитическое разложение бертолетовой соли или разложение пероксида водорода:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂

2H­₂O₂ = 2H₂O + O₂

Резюме

• Кислород имеет 3 устойчивых степени окисления: -2, -1 и 0.
• В степени окисления 0 как кислород O₂, так и озон O₃, проявляют сильные окислительные свойства.
• Пероксиды, содержащие кислород в степени окисления -1, проявляют окислительно-восстановительную двойственность, выступая в зависимости от реагента или как окислитель, или как восстановитель.

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача №4 (первая часть)

Выберите два вещества, в которых есть донорно-акцепторная связь:

1. угарный газ
2. углекислый газ
3. триоксид серы
4. азотная кислота
5. азотистая кислота

Задание 2. Задача №6 (первая часть)

В пробирку с раствором перманганата калия поместили вещество X, наблюдая выделение бесцветного газа и обесцвечивание раствора. В другую пробирку с KMnO₄ было внесено вещество Y, при этом выпал осадок жёлтого цвета.

Выберите вещества X и Y, подходящие под условия задания:

1. Na₂S
2. Na₂SO₃
3. NaI
4. H₂O₂
5. BaSO₄

Задание 3. Задача №29 (вторая часть)

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: пероксид натрия, перманганат натрия, гидрофосфат калия, гидроксид натрия, серная кислота, фосфорная кислота. Допустимо использование водных растворов веществ.

Из предложенного перечня веществ выберите вещества, между которыми окислительно-восстановительная реакция протекает с обесцвечиванием раствора. Известно, что в ходе реакции выделяется газ. В ответе запишите уравнение только одной из возможных окислительно-восстановительных реакций с участием выбранных веществ. Составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.

Определения:

1. Аллотропные модификации – вещества, состоящие из одних и тех же атомов одного химического элемента, но различающиеся взаимным положением атомов.
2. Горение – в общем случае, процесс взаимодействия вещества с газообразными окислителями.
3. Фракционная перегонка – процесс разделения смеси на её индивидуальные компоненты, основанный на разнице в температуре кипения веществ.