Кисень. Озон

РОЗДІЛ 2 НЕМЕТАЛІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ СПОЛУКИ

ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ГРУПИ (ХАЛЬКОГЕНИ)

§ 25. Кисень. Озон

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

Характеризувати та порівнювати алотропні видозміни Оксигену, фізичні та хімічні властивості, способи добування кисню й озону, практичне їх значення; значення озонового шару для життя на Землі;

Пояснювати суть алотропії;

Складати рівняння та схеми електронного балансу відповідних хімічних реакцій.

Кисень і озон. Оксиген утворює дві прості речовини: кисень О2 й озон О3. Mr(O2)

= 32, Mr(O3) = 48.

У природі озон утворюється в атмосфері з кисню під час грозових електричних розрядів. Характерний запах свіжості, який ми відчуваємо після грози, – це запах озону. Явище існування хімічного елемента у вигляді двох або кількох простих речовин, різних за властивостями і будовою, називається алотропією, а самі прості речовини – алотропними видозмінами (формами, модифікаціями) хімічного елемента.

Кисень О2 й озон О3 – алотропні видозміни хімічного елемента Оксигену.

У чому полягає причина різних властивостей алотропних видозмін, а саме кисню й озону? Ви уже знаєте, що властивості

речовини зумовлені її складом і будовою.

Кисень й озон мають однаковий якісний склад, але різний кількісний; однакову молекулярну будову, але різну просторову будову молекул: лінійну – в неполярної молекули кисню і кутову – в полярної молекули озону. Отже, крім подібних ці речовини мають різні властивості.

Характеристика властивостей алотропних видозмін Оксигену наведена в таблиці 8.

Т а б л и ц я 8

Властивості кисню й озону

Властивості	Прості речовини
Кисень	Озон
Агрегатний стан за стандартних умов	Газ	Газ
Колір	Безбарвний	Синій
Запах	Без запаху	Своєрідний, різкий
Розчинність (у 100	3 об’єми	49 об’ємів
Об’ємах води при 20 °С)
Густина газу (за н. у.)	1,43 г/л	2,14 г/л
Температура кипіння	-193 °С	-112 °С
Температура плавлення	-219 °С	-192 °С
Фізіологічна дія	Неотруйний	Дуже отруйний
Хімічні властивості	Окисник	Дуже сильний окисник
Реакційна здатність	Висока	Дуже висока

Поясніть, порівнявши склад молекул кисню й озону, чому в озону більша густина та вищі температури кипіння і плавлення, ніж у кисню.

Добування кисню й озону. Обидві алотропні видозміни Оксигену утворюються у природі. Пригадаємо, що кисень утворюється у процесі фотосинтезу в хлоропластах зелених рослин під дією сонячного світла із вуглекислого газу та води:

Озон, як уже зазначалось, утворюється з кисню під час дії грозових електричних розрядів (мал. 35), а також у верхніх шарах атмосфери (стратосфері) під дією енергії жорсткого ультрафіолетового сонячного випромінювання:

У промисловості кисень добувають зі зрідженого повітря.

Лабораторні способи добування кисню грунтуються на реакціях розкладу оксигеновмісних сполук: калій перманганату KMnO4 (саме з цієї речовини ви добували кисень на практичній

Мал. 35. Утворення озону в атмосфері

Роботі в 7 класі), дигідроген пероксиду H2O2, калій хлорату KClO3, нітратів лужних елементів:

– Складіть для кожного рівняння схеми електронного балансу. Поясніть, як упливає на перебіг реакцій розкладу H2O2 і KClO3 наявність манган (IV) оксиду.

У лабораторії озон добуваюіть у спеціальних приладах – озонаторах з кисню під дією електричного розряду (мал. 36).

Хімічні властивості алотропних видозмін Оксигену. Висока електронегативність Оксигену зумовлює сильні окиснювальні властивості його алотропних видозмін.

Вам відомо, що кисень характеризується високою реакційною здатністю. Він реагує з переважною більшістю простих речовин з утворенням оксидів. Майже з усіма металами реакція відбувається вже за кімнатної температури. Більшість металів горить у кисні:

Лужні метали внаслідок своєї надзвичайної активності реагують з киснем з утворенням пероксидів:

2Na + O2 = Na2O2

Залізо згоряє в кисні з утворенням подвійного оксиду Fe3O4(FeO – Fe2O3) залізної ожарини:

3Fe + 2O2 = Fe3O

З неметалами (крім гелію, неону, аргону, галогенів) кисень зазвичай реагує при нагріванні: з фосфором до 60 °С, з сіркою (мал. 37) – до 250 °С, з графітом – до 700 °С:

4P + 5O2 = 2P2O5 S + O2 = SO2

Реагує кисень і з багатьма складними неорганічними, а також з усіма органічними речовинами, як правило – із утворенням оксидів елементів, з яких складається сполука:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

– Складіть схеми електронного балансу наведених рівнянь реакцій.

Мал. 36. Озонатор

Мал. 37. Горіння сірки у кисні

Озон значно активніший за кисень. Озон – нестійка сполука, розкладається з утворенням атома Оксигену, що забезпечує підвищену окиснювальну здатність озону:

O3 = O2 + O; 2O = O2; 2O3 = 3O2

Так, за стандартних умов озон на відміну від кисню реагує зі сріблом і ртуттю:

2Ag + О3 = Ag2O + O2

Якісна реакція на озон – взаємодія з калій йодидом із виділенням йоду:

Застосування кисню у промислових масштабах почалося з середини XX ст. – після винаходу пристрою для зрідження та розділення повітря. Як окисник його застосовують у металургії для добування сталі конверторним способом, різання металів, у суміші з іншими багатими на Оксиген сполуками – для окиснення ракетного пального, у газових сумішах для дихання при проведенні підводних робіт, у медицині при порушенні дихання.

Застосування озону зумовлено його дуже високою реакційною здатністю. Він використовується для дезинфекції питної води, очищення димових газів, промислових і побутових стічних вод, вибілювання тканин, а також як окисник ракетного пального.

Фізіологічна дія О3. Слід пам’ятати, що надзвичайна окиснювальна здатність озону зумовлює його токсичну дію на людину, тварин і рослини. Навіть малі концентрації озону, що перевищують природні, викликають подразнення дихальних шляхів, кашель, блювоту, запаморочення, стомлюваність. Такі симптоми можна спостерігати у великих містах, де підвищені викиди автомобілів, які містять оксиди Нітрогену, спричиняють перетворення кисню в озон.

Максимальної концентрації в атмосфері озон досягає на відстані 23 – 25 км від поверхні Землі, утворюючи так званий озоновий шар.

Озоновий шар відіграє важливу роль у збереженні життя на нашій планеті. Він затримує згубну для людей, тварин і рослин частину шкідливого ультрафіолетового сонячного випромінювання, яке може спричинити захворювання шкіри (зокрема, й онкологічні), негативно вплинути на біологічні процеси. Крім того, разом з вуглекислим газом озоновий шар поглинає теплове, інфрачервоне випромінювання Землі і запобігає її охолодженню.

Однак під впливом антропогенних чинників озоновий шар зазнає руйнування, в ньому утворюються “озонові дірки”. Відомі десятки речовин – забруднювачів атмосфери, які руйнують озоновий шар. Учені дослідили, що особливо небезпечними є оксиди Нітрогену, які утворюються під час роботи авіаційних двигунів. Щодо ступеня впливу інших речовин, то він у природних умовах остаточно не визначений.

Збереження і відновлення озонового шару, встановлення причин його руйнування – одна з найнагальніших проблем людства, що потребує розв’язування.

Коротко про головне

Оксиген утворює дві алотропні видозміни – кисень О2 й озон О3, які відрізняються складом та будовою молекули і, відповідно, властивостями. Існування хімічного елемента у вигляді двох або кількох простих речовин, різних за властивостями і будовою, називається алотропією, а самі прості речовини – алотропними видозмінами (формами) хімічного елемента. Алотропні видозміни Оксигену – кисень О2 й озон О3 – сильні окисники, що виявляється у реакціях з більшістю простих речовин і багатьма складними. Продуктами реакцій окиснення киснем зазвичай є оксиди. Окиснювальна здатність озону О3 вища, ніж у кисню О2, що зумовлено утворенням винятково активних атомів Оксигену.

Озоновий шар – це частина атмосфери на висоті 23 – 25 км від земної поверхні з максимальною концентрацією озону. Він частково поглинає небезпечне для усього живого на планеті ультрафіолетове сонячне випромінювання. Застосування кисню й озону зумовлено їх окиснювальними властивостями.