Реферат по дисциплине: «Химия» По теме: «Кислород» Исполнитель: ФИО 20-- год Содержание Введение………………………..……………………….………………..3 1. Характеристики и свойства кислорода……….………..……………..4 2. Кислород в природе…….……….……………………………………..6 3. Открытие кислорода…………..………………………………………..8 4. Получение кислорода …………………………………………………. 9 5. Использование кислорода………..……………………………………10 Заключение……………………………………………………………….12 Список литературы ………………………………………………………13 2 Введение По мнению людей религиозных, вездесущим, всемогущим и в то же время невидимым может быть только бог. В действительности же все эти три эпитета вполне можно отнести к химическому элементу с атомным номером 8 – кислороду. Кислород – вездесущ: из него в значительной степени состоят не только воздух, вода и земля, но и мы с вами, наши еда, питье, одежда. Практически всё, что нас окружает и что есть в нашем организме, содержит кислород или нуждается в его поступлении для поддержания жизнедеятельности. Известно, что без пищи человек может выжить несколько недель, без воды – несколько дней, а вот без кислорода – максимум несколько минут (да и то, если речь идет о тренированных дайверах). Конечно, мы знаем, что дышать человек может только в атмосфере Земли, благодаря наличию в её составе кислорода. Могущество кислорода проявляется уже в том, что мы им дышим, а ведь дыхание это синоним жизни. «Dum spiro – spero»: пока дышу, – надеюсь... Это Овидий. И еще кислород можно считать всемогущим потому, что могучая стихия огня, как правило, сильно зависит от нашего кандидата в вездесущие и всемогущие. Что касается третьего эпитета – «невидимый», то здесь, вероятно, нет нужды в доказательствах. При обычных условиях элементарный кислород не только бесцветен и потому невидим, но и не воспринимаем, не ощутим никакими органами чувств. Правда, недостаток, а тем более отсутствие кислорода мы ощутили бы моментально... Опасаясь быть заподозренным в ереси и поповщине одновременно, автор вынужден признаться: идею сравнить кислород с господом богом он придумал не сам, а заимствовал ее у одного из персонажей поэмы Алексея Константиновича Толстого «Поток-богатырь». Там есть строки о некоем аптекаре, который «пред толпою ученье проводит, что мол нету души, а одна 3 только плоть, и что если и впрямь существует господь, то он только есть вид кислорода». Свойства и значение этого химического элемента продолжают изучаться, находятся новые способы его использования в интересах человека. Цель работы: рассмотреть свойства кислорода, историю его открытия; узнать о содержании его в различных естественных средах, а также о способах получения чистого кислорода и сферах его применения. 1. Характеристики и свойства кислорода Кислород - элемент второго периода 16й группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Обозначается буквой О (от лат. Oxygenium). Атомный номер – 8. Кислород – химически активный неметалл, самый легкий элемент их относящихся к группе халькогенов. Молекула кислорода состоит из двух атомов, обозначается формулой О2. При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха. 1 л его при нормальных условиях имеет массу 1,429 г., то есть немного тяжелее воздуха. Кислород плохо растворим в воде: при комнатной температуре в объёмах воды растворяется л кислорода. При понижении температуры растворимость кислорода в воде увеличивается. Растворённым в воде кислородом дышат рыбы. Так же плохо растворим в спирте (2,78 мл/100 г при +25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при +961 °C). Хорошо растворяется в перфторированных углеводородах (20—40 об %). Является парамагнетиком. В жидком виде притягивается магнитом. Именно магнитными свойствами элемент №8 отличается от всех прочих газообразных (при обычных условиях) элементов. 4 При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы, концентрация диссоциированных атомов в смеси при +2000 °C — 0,03 %, при +2600 °C — 1 %, +4000 °C — 59 %, +6000 °C — 99,5 %. Жидкий кислород кипит под давлением 101,325 кПа при температуре −182,98 °C и представляет собой бледно-голубую жидкость. Критическая температура кислорода 154,58 К (-118,57 °C), критическое давление 4,882 МПа. Твёрдый кислород (температура плавления −218,35 °C) — синие кристаллы. Кислород химически активен, он окисляет многие вещества уже при комнатной температуре. Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона, фтора (с фтором кислород образует фторид кислорода, так как фтор более электроотрицателен, чем кислород). Наиболее распространённая степень окисления −2. Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором. При нагревании, освещении или в присутствии катализатора реакции с кислородом протекают очень бурно и сопровождаются выделением большого количества тепла. Характерной особенностью реакций взаимодействия кислорода со многими веществами является выделение теплоты и света. Такие процессы называются горением. Особенно сильным окислителем является жидкий кислород: пропитанная им вата при поджигании мгновенно сгорает. Некоторые летучие органические 5 вещества самопроизвольно воспламеняются на расстоянии нескольких метров от открытого сосуда с жидким кислородом. Впрочем, далеко не всегда окислительные реакции с участием кислорода выглядят как стихия пламени или взрыва. Окисление веществ кислородом может протекать медленно. Процессы медленного окисления различных веществ при обычной температуре имеют для жизни не меньшее значение, чем горение – для энергетики. Медленное окисление веществ пищи в нашем организме – «энергетическая база» жизни. Тепло преющего сена – результат медленного окисления органических веществ растительного происхождения. Медленное окисление навоза и перегноя согревает парники. Медленное окисление не сопровождается горением, как например при ржавлении железа, но выделяющейся при этом теплоты в некоторых случаях бывает достаточно для возгорания. Так, при медленном окислении возможно возгорание долго хранящегося влажного зерна, сена или воспламенение используемых на заводах для протирки станков промасленных тряпок. 2. Кислород в природе Кислород – самый распространенный элемент земной коры. Простое вещество О2 входит в состав атмосферы, составляя по объёму 21% воздуха. Молекулярный кислород находится в воде и почве. Также много кислорода и в твердых породах Земли. Известно около 1400 минералов, где кислород содержится в связанном виде, образуя разнообразные химические соединения. Самое простое и распространенное среди них – диоксид кремния SiO2 – основа песка. Кислород обеспечивает обмен веществ в живой природе. К человеку и животным кислород попадает в организм при дыхании. Связываясь с клетками 6 крови, он поступает ко всем органам и тканям. Постоянство содержания кислорода в атмосфере обеспечивается тем, что зеленые растения, содержащие хлорофилл, на свету поглощают углекислый газ, а выделяют газообразный кислород. Установлено, что самыми активными «производителями» кислорода являются не растения суши, а многочисленные мелкие водоросли, произрастающие в поверхностных теплых слоях морей и океанов. Кислород входит в состав органических молекул, а также в силу окислительных свойств обеспечивает процесс разложения органических веществ (гниение, брожение). Если бы растения в процессе фотосинтеза не превращали воду и углекислый газ в органические соединения и этот процесс не сопровождался высвобождением связанного кислорода, то, исчерпав довольно быстро запасы атмосферного кислорода, весь животный мир, включая человечество, вскоре задохнулся бы. Но и растениям после этого пришлось бы несладко. Дело в том, что растения, подобно животным, потребляют атмосферный кислород, правда они делают это исключительно в темное время суток. На ночь, когда прекращаются процессы фотосинтеза, растения из производителей кислорода превращаются в его потребителей. Это явленно наблюдал еще Шееле. А другой первооткрыватель кислорода Дж. Пристли еще до того, как кислород был открыт, выяснил, что зеленая ветка мяты, помещенная под стеклянный колпак с воздухом, в котором уже погасла свеча, возвращает этому воздуху способность поддерживать дыхание и горение. Кислород в природе существует также в виде аллотропной модификации – озона – трехатомной молекулы кислорода О3. Озон — бесцветный газ с характерным запахом, содержится в верхних слоях атмосферы и защищает Землю от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца. В отличие от кислорода, озон чрезвычайно ядовит. Озон неустойчив и легко превращается в кислород. Озон присутствует в атмосфере Земли на высоте 25 км, задерживая и поглощая опасные излучения Солнца. 7 3. Открытие кислорода То, что кислород невидим, безвкусен, лишен запаха, газообразен при обычных условиях, надолго задержало его открытие. Многие ученые прошлого догадывались, что существует вещество со свойствами, которые, как мы теперь знаем, присущи кислороду. Изобретатель подводной лодки К. Дреббель еще в начале XVII в. выделил кислород, выяснил роль этого газа для дыхания и использовал его в своей подводной лодке. Но работы Дреббеля практически не повлияли на развитие химии. Его изобретение носило военный характер, и все, что было так или иначе связано с ним, постарались своевременно засекретить. Кислород открыли почти одновременно два выдающихся химика второй половины XVIII в. – швед Карл Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Шееле получил кислород раньше, но его трактат «О воздухе и огне», содержавший информацию о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли. И все-таки главная фигура в истории открытия кислорода – не Шееле и не Пристли. Они открыли новый газ – и только. Открыли кислород – и до конца дней своих остались ревностными защитниками теории флогистона! Теории – некогда полезной, но к концу XVIII в. ставшей уже «кандалами на ногах науки». Позже Фридрих Энгельс напишет об этом: «Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал в их руках бесследно... Собственно открывшим кислород, поэтому остается Лавуазье, а не те двое, которые только описали кислород, даже не догадываясь, что они описывают». Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (тогда еще очень молодой) узнал о кислороде от самого Пристли. Спустя два месяца после открытия «дефлогистонированного воздуха» Пристли приехал в Париж и 8 подробно рассказал о том, как было сделано это открытие и из каких веществ (ртутная и свинцовая окалины) новый «воздух» выделяется. До встречи с Пристли Лавуазье не знал, что в горении и дыхании принимает участие только часть воздуха. Теперь он по-новому поставил начатые двумя годами раньше исследования горения. Для них характерен скрупулезный количественный подход: все, что можно, взвешивалось или как-либо иначе измерялось. Лавуазье наблюдал образование красных чешуек «ртутной окалины» и уменьшение объема воздуха при нагревании ртути в запаянной реторте. В другой реторте, применив высокотемпературный нагрев, он разложил полученные в предыдущем опыте 2,7 г «ртутной окалины» и получил 2,5 г ртути и 8 кубических дюймов того самого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором часть ртути была превращена в окалину, было «потеряно» как раз 8 кубических дюймов воздуха, а остаток его стал «азотом» – не жизненным, не поддерживающим ни дыхания, ни горения. Газ, выделенный при разложении окалины, проявлял противоположные свойства, и потому Лавуазье вначале назвал его «жизненным газом». Лавуазье выяснил сущность горения. И надобность в флогистоне – «огненной материи», якобы выделяющейся при сгорании любых горючих, отпала. Кислородная теория горения пришла на смену теории флогистона. За два века, прошедших со времени открытия, теория Лавуазье не только не была опровергнута, но еще более укрепилась. 4. Получение кислорода В условиях лаборатории кислород можно получить несколькими способами: путем электролиза воды либо в результате реакции термического разложения сравнительно непрочных сложных веществ (солей, оксидов и пероксидов). 9 В промышленности кислород получают нехимическим путем из воздуха. Воздух сжижают при низкой температуре под высоким давлением и подвергают перегонке. Азот и кислород имеют разные температуры кипения. Сначала отделяется азот, в жидком состоянии остается кислород. Кислород хранят в сжатом виде в стальных баллонах голубого цвета. На современных атомных подводных лодках, где электрическая энергия вырабатывается в достаточном количестве, получают кислород при помощи электролиза из воды. Кислород хранят в баллонах при повышенном давлении. Жидкий кислород хранят в сосудах Дьюара, устроенных по принципу термоса. 5. Использование кислорода Кислород действительно нужен «на земле и под землею» и вообще «всюду, где народ», например в космических кораблях. Первооткрыватель кислорода Дж. Пристли предугадал одно из важных применений элементарного кислорода – в медицине. «Он может быть очень полезен при некоторых тяжелых болезнях легких, когда обычный воздух не может достаточно быстро удалять флогистонированные испорченные испарения». Кислород применяется в лечебной практике не только при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание. Подкожное введение кислорода оказалось эффективным средством лечения таких тяжелых заболеваний, как, например, гангрена, слоновость, трофические язвы. Не менее важен кислород и для промышленности. Обогащение воздуха кислородом делает эффективнее, быстрее, экономичнее многие технологические процессы, в основе которых – окисление. А таких процессов – много. На них пока держится почти вся тепловая энергетика. Превращение чугуна в сталь тоже невозможно без кислорода. Именно кислород «изымает» из чугуна избыток углерода. 10 Замена воздушного дутья «кислородным» (в мартеновскую печь или конвертор обычно подается не чистый кислород, а воздух, обогащенный кислородом) намного увеличивает производительность сталеплавильных агрегатов. Одновременно улучшается и качество стали. При замене обычного воздуха смесью 35% кислорода и 65% азота расход кокса в процессе выплавки ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, феррофосфора) снижается почти в два раза, а производительность печи возрастает более чем вдвое. Сейчас в нашей стране черная металлургия поглощает более 60% получаемого кислорода. Нужен кислород и в цветной металлургии. Так, при выплавке свинца на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате дутье, обогащенное кислородом до 30...31%, снизило расход топлива на 35, а флюсов – на 54%. При сжигании водорода в токе кислорода образуется весьма обыкновенное вещество – H2O. Конечно, ради получения этого вещества не следовало бы заниматься сжиганием водорода (который, кстати, часто именно из воды получают). Цель этого процесса иная, она будет ясна, если ту же реакцию записать полностью, учитывая не только химические продукты, но и энергию, выделяющуюся в ходе реакции: Н2 + 0,5О2 = Н2О + 68 317 кал. Почти семьдесят больших калорий на грамм-молекулу! Так можно получить не только «море воды», но и «море энергии». Для этого и получают воду в реактивных двигателях, работающих на водороде и кислороде. Та же реакция используется для сварки и резки металлов. Кислород нужен для производства многих веществ (достаточно вспомнить об азотной кислоте), для газификации углей и мазута... На нужды этой отрасли расходуется немало кислорода. Любое пористое горючее вещество, например опилки, будучи пропитанными голубоватой холодной жидкостью – жидким кислородом, становится взрывчатым веществом. Такие вещества называются оксиликвитами и в случае 11 необходимости могут заменить динамит при разработке рудных месторождений. Ежегодное мировое производство (и потребление) кислорода измеряется миллионами тонн. Не считая кислорода, которым мы дышим. Кислород применяют: в производстве серной и азотной кислот, чугуна и стали; для сварки и резки металлов при помощи кислородно-ацетиленовой горелки; в качестве окислителя топлива в ракетных двигателях; для приготовления взрывчатых смесей; для создания кислородных аппаратов, используемых лётчиками, водолазами, подводниками; в медицине при ослаблении дыхания, сердечной недостаточности, после отравления угарным газом, для приготовления кислородных коктейлей. Заключение Кислород входит в группу халькогенов –химических элементов со сходным строением атомов и химическими свойствами. Кислород – сильный окислитель. С его участием происходят все процессы обмена веществ в живой природе. Кислород – первый по распространенности химический элемент на Земле. Больше всего молекул кислорода содержится в воде, а также в песке, глине и органических веществах. Свободный кислород является частью атмосферы. Озон – аллотропная модификация кислорода – содержится в виде простого вещества в верхних слоях атмосферы. Кислород был открыт в 1770 году шведским ученым К. В. Шееле, первично его свойства также были изучены англичанином Д. Пристли и известным ученым Франции А. Л. Лавуазье. В промышленных масштабах кислород получают в основном нехимическим путем; озон – путем электросинтеза из чистого кислорода. 12 Кислород широко используется в химической промышленности, металлургии, медицине и других сферах деятельности. Озон используют в медицине и косметологии, пищевой промышленности. Список литературы Кислород / Зломанов В. П. // Киреев — Конго. — М. : Большая российская энциклопедия, 2009. — С. 59. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 14). — ISBN 978-5-85270-345-3. Рябин В. А., Остроумов М. А., Свит Т. Ф. Термодинамические свойства веществ. Справочник. — Л.: Химия, 1977. — 392 с. Дроздов А. А., Зломанов В. П., Мазо Г. Н., Спиридонов Ф. М. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 2. Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. М., 2004. Т. 1-2. Электронная библиотека «Наука и техника» Алибекрова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. -М.:АСТ-ПРЕСС, 2002.-560 с ил. -(Занимательные уроки) 13
