От водорода до мейтнерия: неорганика на ладони. Книга первая: металлы и неметаллы главных подгрупп таблицы Менделеева

Наш следующий «химический» герой — всем известный кислород, неметалл, с которым ассоциируется не «что-нибудь», а воздух, дыхание, значит, и сама жизнь.

«Квартира» кислорода в ПСХЭ Д. И. Менделеева имеет номер 8 (второй период, VIА группа). Строение его атома (имеются в виду атомы наиболее распространенных в природе изотопов): ядро (8 протонов, 8 нейтронов) и 8 электронов.

До завершения внешнего энергетического уровня кислороду не хватает двух электронов. Он может принять их и получить степень окисления — 2. Это самая распространенная степень окисления кислорода в соединениях. Вступая в реакцию с более электроотрицательным фтором, кислород наоборот «отдает» 2 своих электрона и приобретает степень окисления +2. В пероксидах степень окисления кислорода — 1.

Строение атома кислорода (слева) и распределение электронов на уровнях и орбиталях (справа)

Простое вещество «кислород» состоит из двух атомов и по агрегатному состоянию является газом. Чтобы запомнить физические свойства кислорода, не будем ходить далеко, вдохнем полной грудью воздух вокруг нас (эх, хорошо бы сейчас где-нибудь на берегу моря оказаться). Есть ли вкус у газа? Нет. И запаха нет. И цвета тоже нет. Неядовитый.

Кислород мало растворим в воде, температура кипения — 183 градуса. Жидкий кислород имеет голубоватый цвет.

Впервые кислород был получен английским исследователем Джозефом Пристли в 1774 году. Открытие состоялось, в общем-то, неожиданно. С помощью линзы Пристли собирал солнечные лучи и направлял их на пробирку с красным оксидом ртути. Пробирка была развернута вверх дном и помещена в сосуд с жидкой ртутью. Оксид ртути сильно нагревался и разлагался на составляющие: ртуть и кислород, который собирался в основании пробирки. Джозеф Пристли заметил, если в этот неизвестный газ внести тлеющую лучинку, она разгорится с новой силой.

Сейчас кислород по способу Джозефа Пристли не получают, ведь пары ртути и ее соединения ядовиты.

В настоящее время кислород в лабораторных условиях получают разложением некоторых веществ: перманганата калия («марганцовка»), нитратов активных металлов, перекиси водорода, хлората калия (бертолетова соль). Причем для последних двух реакций требуется присутствие катализатора — оксида марганца (IV).

А вот в промышленности кислород получают в прямом смысле из воздуха. Воздух — это достаточно многокомпонентная смесь газов:

Кислород собирают в пробирку путем вытеснения воздуха (кислород тяжелее воздуха, поэтому оказывается на дне пробирки)

— 78% азота;

— около 21% кислорода;

— примерно 1% приходится на «благородные» газы (в основном аргон);

— 0,03% отдают углекислому газу.

Вначале воздух сжимают под большим давлением с помощью компрессора. Затем охлаждают: сперва водой, потом потоками холодного воздуха, постепенно уменьшая давление. Цель — довести температуру до таких низких значений, когда воздух сможет превратиться в жидкость. И тогда сжиженный воздух начинают разделять на компоненты (фракции), постепенно повышая температуру. При — 196 градусах отделяется азот (снова превращается в газ), чуть позже при — 183 градусах «кипит» кислород. Далее по трубопроводам газ поступает к месту назначения, на предприятие. «Чистый» кислород часто вновь превращают в жидкость и хранят в цистернах из нержавеющей стали.

Не забудем упомянуть и про старый добрый электролиз воды, когда под действием электрического тока на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород.

Вообще, надо сказать, что кислород очень реакционноспособен и как второй по электроотрицательности элемент (уступает лишь фтору) берет на себя роль окислителя (принимает «чужие» электроны). Со многими веществами он взаимодействует уже при комнатной температуре. Если же температуру повысить, добавить освещение, катализатор, то реакции с кислородом будут протекать очень стремительно, бурно, сопровождаясь выделением большого количества тепла.

Реакции с металлами

Продукт реакции — оксид металла.

Небольшой нюанс касается щелочных металлов. Литий с кислородом образует оксид, натрий — пероксид, а калий, рубидий и цезий — надпероксиды.

Золото, платина и серебро с кислородом не реагируют!

Надпероксиды — особые структуры, за счет своего строения они имеют яркую окраску.

Пероксиды и надпероксиды щелочных металлов — очень сильные окислители!

Реакции с неметаллами

Продукт реакции — оксид неметалла.

С гелием, неоном и аргоном кислород не образует химических соединений. Таковы уж они, благородные газы, инертные вещества. Лишь ксенон несколько «разблагородился». В 2016 году в научном журнале Nature Chemistry вышла статья, где было сказано о том, что химики с большим трудом смогли получить смесь оксидов ксенона. Соединять до этого «несоединимые» газообразные ксенон и кислород ученым пришлось при огромном давлении (в миллион раз больше, чем нормальное атмосферное). Смесь газов поместили в устойчивую к давлению ячейку, выполненную из алмаза, и нагревали лазером.

Реакция с фтором — случай, когда кислород становится восстановителем. С остальными неметаллами-галогенами кислород непосредственно не реагирует!

Реакции со сложными веществами

Продукт реакции — оксиды тех элементов, из которых состояло сложное вещество.

Многие металлы находятся в горных породах в соединении с серой (сульфидные руды). Один из этапов извлечения металлов из руды — перевод сульфидов в оксиды.

Обратите внимание: окисление аммиака при наличии катализатора происходит до образования оксида азота (II)

Таков он, вездесущий кислород: ни горение, ни ржавление, ни дыхание не обходятся без его участия.