Reacções químicas com exemplos de oxigénio. Oxigênio, propriedades físicas

OXIGÊNIO (Latin Oxygenium), O, forma abreviada do elemento químico do grupo VI (grupo 16 forma longa) sistema periódico, refere-se a calcogênios; número atômico 8, massa atômica 15,9994. O oxigênio natural consiste em três isótopos: 16 O (99,757%), 17 O (0,038%) e 18 O (0,205%). A predominância dos isótopos mais leves de 16 O na mistura se deve ao fato de que o núcleo do átomo de 16 O é composto por 8 prótons e 8 nêutrons. igual número prótons e nêutrons determina a alta energia de sua ligação no núcleo e a maior estabilidade dos núcleos 16 O em comparação com o resto. Radioisótopos com números de massa 12-26 são obtidos artificialmente.

Referência histórica. O oxigênio foi obtido independentemente em 1774 por K. Scheele (por calcinação de nitratos de potássio KNO 3 e sódio NaNO 3 , dióxido de manganês MnO 2 e outras substâncias) e J. Priestley (por aquecimento tetróxido de chumbo Pb 3 O 4 e óxido de mercúrio HgO). Mais tarde, quando se descobriu que o oxigênio faz parte dos ácidos, A. Lavoisier propôs o nome oxygène (do grego όχύς - azedo e γεννάω - dou à luz, daí nome russo"oxigênio").

distribuição na natureza. O oxigênio é o elemento químico mais comum na Terra: o conteúdo de oxigênio quimicamente ligado na hidrosfera é de 85,82% (principalmente na forma de água), na crosta terrestre - 49% em peso. Mais de 1400 minerais são conhecidos que contêm oxigênio. Entre eles, predominam minerais formados por sais de ácidos contendo oxigênio (as classes mais importantes são carbonatos naturais, silicatos naturais, sulfatos naturais, fosfatos naturais) e rochas à base deles (por exemplo, calcário, mármore), além de vários óxidos naturais, hidróxidos naturais e rochas, rochas (por exemplo, basalto). O oxigênio molecular compõe 20,95% em volume (23,10% em massa) da atmosfera terrestre. O oxigênio atmosférico tem origem biológica e é formado em plantas verdes contendo clorofila da água e dióxido de carbono durante a fotossíntese. A quantidade de oxigênio liberada pelas plantas compensa a quantidade de oxigênio consumida nos processos de decomposição, combustão e respiração.

O oxigênio - um elemento biogênico - faz parte das mais importantes classes de compostos orgânicos(proteínas, gorduras, ácidos nucléicos, carboidratos, etc.) e na composição dos compostos inorgânicos do esqueleto.

Propriedades. A estrutura da camada externa de elétrons do átomo de oxigênio 2s 2 2p 4; em compostos mostra estados de oxidação -2, -1, raramente +1, +2; Pauling eletronegatividade 3,44 (o elemento mais eletronegativo depois do flúor); raio atômico 60 pm; o raio do íon O 2 é -121 pm (número de coordenação 2). Nos estados gasoso, líquido e sólido, o oxigênio existe na forma de moléculas diatômicas de O 2 . As moléculas de O 2 são paramagnéticas. Há também uma modificação alotrópica de oxigênio - ozônio, consistindo em moléculas triatômicas de O 3.

No estado fundamental, o átomo de oxigênio tem um número par de elétrons de valência, dois dos quais são desemparelhados. Portanto, o oxigênio, que não possui um d-opbital vago de baixa energia, é bivalente na maioria dos compostos químicos. Dependendo da natureza ligação química e o tipo de estrutura cristalina do composto, o número de coordenação do oxigênio pode ser diferente: O (oxigênio atômico), 1 (por exemplo, O 2, CO 2), 2 (por exemplo, H 2 O, H 2 O 2 ), 3 (por exemplo, H3O+), 4 (por exemplo, oxoacetatos de Be e Zn), 6 (por exemplo, MgO, CdO), 8 (por exemplo, Na2O, Cs2O). Devido ao pequeno raio do átomo, o oxigênio é capaz de formar fortes ligações π com outros átomos, por exemplo, com átomos de oxigênio (O 2, O 3), carbono, nitrogênio, enxofre e fósforo. Portanto, para o oxigênio, uma ligação dupla (494 kJ/mol) é energeticamente mais favorável do que duas ligações simples (146 kJ/mol).

O paramagnetismo das moléculas de O 2 é explicado pela presença de dois elétrons desemparelhados com spins paralelos em orbitais π* antiligantes duplamente degenerados. Como há quatro elétrons a mais nos orbitais de ligação da molécula do que nos orbitais de afrouxamento, a ordem de ligação no O 2 é 2, ou seja, a ligação entre os átomos de oxigênio é dupla. Se, sob uma ação fotoquímica ou química, dois elétrons com spins opostos aparecem no mesmo orbital π*, surge o primeiro estado excitado, localizado 92 kJ/mol maior em energia que o estado fundamental. Se, na excitação de um átomo de oxigênio, dois elétrons ocupam dois orbitais π* diferentes e têm spins opostos, surge um segundo estado excitado, cuja energia é 155 kJ/mol maior que a do estado fundamental. A excitação é acompanhada por um aumento na Distâncias O-O: de 120,74 pm no estado fundamental para 121,55 pm para o primeiro e até 122,77 pm para o segundo estado excitado, que por sua vez leva ao enfraquecimento Conexões O-O e a um aumento na reatividade do oxigênio. Ambos os estados excitados da molécula de O 2 jogam papel importante nas reações de oxidação na fase gasosa.

O oxigênio é um gás incolor, inodoro e insípido; t pl -218,3 ° С, t kip -182,9 ° С, densidade de oxigênio gasoso 1428,97 kg / dm 3 (a 0 ° С e pressão normal). O oxigênio líquido é um líquido azul pálido, o oxigênio sólido é azul substância cristalina. A 0 °C, a condutividade térmica é 24,65-10 -3 W/(mK), a capacidade calorífica molar a pressão constante é 29,27 J/(mol K), a permissividade do oxigênio gasoso é 1,000547 e a do oxigênio líquido é 1.491. O oxigênio é pouco solúvel em água (3,1% de oxigênio em volume a 20°C), prontamente solúvel em alguns solventes organofluorados, como perfluorodecalina (4500% de oxigênio em volume a 0°C). Uma quantidade significativa de oxigênio é dissolvida por metais nobres: prata, ouro e platina. A solubilidade do gás na prata derretida (2200% em volume a 962 ° C) diminui drasticamente com a diminuição da temperatura, portanto, quando resfriado ao ar, a prata fundida “ferve” e espirra devido à intensa liberação de oxigênio dissolvido.

O oxigênio é altamente reativo, um forte agente oxidante: ele interage com a maioria das substâncias simples em condições normais, principalmente com a formação dos óxidos correspondentes (muitas reações que ocorrem lentamente à temperatura ambiente e mais baixas são acompanhadas por uma explosão e liberação de um grande número aquecer). O oxigênio interage em condições normais com hidrogênio (água H 2 O é formada; misturas de oxigênio com hidrogênio são explosivas - ver Gás detonante), quando aquecido - com enxofre (dióxido de enxofre SO 2 e trióxido de enxofre SO 3), carbono (óxido de carbono CO , dióxido de carbono CO 2), fósforo (óxidos de fósforo), muitos metais (óxidos metálicos), especialmente facilmente com metais alcalinos e alcalino-terrosos (principalmente peróxidos e superóxidos metálicos, como peróxido de bário BaO 2, superóxido de potássio KO 2). O oxigênio interage com o nitrogênio em temperaturas acima de 1200 °C ou quando exposto a uma descarga elétrica (monóxido de nitrogênio NO é formado). Compostos de oxigênio com xenônio, criptônio, halogênios, ouro e platina são obtidos indiretamente. O oxigênio não forma compostos químicos com hélio, neônio e argônio. O oxigênio líquido também é um forte agente oxidante: o algodão impregnado com ele queima imediatamente quando inflamado, algumas substâncias orgânicas voláteis são capazes de auto-ignição quando estão a uma distância de vários metros de um recipiente aberto com oxigênio líquido.

O oxigênio forma três formas iônicas, cada uma das quais determina as propriedades de uma classe separada de compostos químicos: O 2 - superóxidos (o estado de oxidação formal do átomo de oxigênio é -0,5), O 2 - - compostos de peróxido (o estado de oxidação do átomo de oxigênio átomo de oxigênio é -1, por exemplo, peróxido de hidrogênio H 2 O 2), O 2- - óxidos (estado de oxidação do átomo de oxigênio -2). Os estados de oxidação positivos +1 e +2 exibem oxigênio em fluoretos О 2 F 2 e OF 2, respectivamente. Os fluoretos de oxigênio são instáveis, são fortes agentes oxidantes e reagentes fluorantes.

O oxigênio molecular é um ligante fraco e se adiciona a alguns complexos de Fe, Co, Mn e Cu. Dentre esses complexos, o mais importante é a porfirina férrica, que faz parte da hemoglobina, proteína que realiza a transferência de oxigênio no organismo dos animais de sangue quente.

Papel biológico. oxigênio como em forma livre, e na composição de várias substâncias (por exemplo, enzimas oxidases e oxidorredutases) participa de todos os processos oxidativos que ocorrem em organismos vivos. Como resultado, uma grande quantidade de energia é gasta no processo da vida.

Recibo. Em escala industrial, o oxigênio é produzido por liquefação e destilação fracionada de ar (veja Separação de ar no artigo), bem como por eletrólise da água. Sob condições de laboratório, o oxigênio é obtido por decomposição aquecendo peróxido de hidrogênio (2P 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2), óxidos metálicos (por exemplo, óxido de mercúrio: 2HgO \u003d 2Hg + O 2), sais de oxigênio- contendo ácidos oxidantes (por exemplo, clorato de potássio : 2KlO 3 \u003d 2KCl + 3O 2, permanganato de potássio: 2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2), por eletrólise de uma solução aquosa de NaOH. O oxigênio gasoso é armazenado e transportado em cilindros de aço, pintados de azul, a uma pressão de 15 e 42 MPa, oxigênio líquido - em vasos metálicos Dewar ou em tanques especiais.

Inscrição. O oxigênio técnico é usado como agente oxidante na metalurgia (ver, por exemplo, o processo de conversão de oxigênio), no processamento de metais com chama de gás (ver, por exemplo, corte de oxigênio), na indústria química na produção de líquido artificial combustíveis, óleos lubrificantes, ácidos nítrico e sulfúrico, metanol, amônia e fertilizantes de amônia, peróxidos metálicos, etc. O oxigênio puro é usado em aparelhos de respiração de oxigênio para naves espaciais, submarinos, ao escalar grandes alturas, realizando trabalhos subaquáticos, em fins medicinais em medicina (veja o artigo Oxigenoterapia). O oxigênio líquido é usado como agente oxidante para combustíveis de foguetes, durante a detonação. Emulsões aquosas de soluções de oxigênio gasoso em alguns solventes organofluorados são propostas para serem usadas como substitutos artificiais do sangue (por exemplo, perftoran).

Lit.: Saunders N. Oxigênio e a elementos do grupo 16. Oxf., 2003; Drozdov A. A., Zlomanov V. P., Mazo G. N., Spiridonov F. M. Química Inorgânica. M., 2004. T. 2; Shriver D., Atkins P. Química Inorgânica. M., 2004. T. 1-2.

Talvez, entre todos os elementos químicos conhecidos, seja o oxigênio que ocupe um papel de liderança, porque sem ele simplesmente não haveria possível ocorrência vida em nosso planeta. O oxigênio é o elemento químico mais comum na Terra, representando 49% da massa total da crosta terrestre. Também faz parte da atmosfera terrestre, a composição da água e a composição de mais de 1400 minerais diferentes, como basalto, mármore, silicato, sílica, etc. Aproximadamente 50-80% da massa total de tecidos, tanto animais como plantas, consiste em oxigênio. E, claro, seu papel para a respiração de todos os seres vivos é bem conhecido.

História da descoberta do oxigênio

As pessoas não compreenderam imediatamente a natureza do oxigênio, embora as primeiras suposições de que algum elemento químico seja a base do ar tenham surgido já no século VIII. No entanto, naquela época distante não havia ferramentas técnicas adequadas para seu estudo, nem a possibilidade de provar a existência do oxigênio como um gás responsável, entre outras coisas, pelos processos de combustão.

A descoberta do oxigênio ocorreu apenas um milênio depois, no século 18, graças ao trabalho conjunto de vários cientistas.

  • Em 1771, o químico sueco Karl Scheele investigou experimentalmente a composição do ar e determinou que o ar consiste em dois gases principais: um desses gases era o nitrogênio e o segundo, o próprio oxigênio, embora naquela época o próprio nome “oxigênio” tivesse ainda não apareceu na ciência.
  • Em 1775, o cientista francês A. Louvazier deu o nome ao gás descoberto de Scheele - oxigênio, que também é oxigênio em latim, a própria palavra "oxigênio" significa "produção de ácidos".
  • Um ano antes do "dia do nome do oxigênio" oficial, em 1774, o químico inglês Priestley obteve oxigênio puro pela primeira vez pela decomposição do óxido de mercúrio. Seus experimentos reforçam a descoberta de Scheele. By the way, o próprio Scheele também tentou obter oxigênio em forma pura aquecendo o salitre, mas não conseguiu.
  • Mais de um século depois, em 1898, o físico inglês Joseph Thompson fez o público pensar pela primeira vez que o suprimento de oxigênio poderia acabar devido às intensas emissões de dióxido de carbono na atmosfera.
  • No mesmo ano, o biólogo russo Kliment Timiryazev, pesquisador, descobre a propriedade das plantas de liberar oxigênio.

Embora as plantas liberem oxigênio na atmosfera, o problema colocado por Thompson sobre uma possível falta de oxigênio no futuro permanece relevante em nosso tempo, especialmente em relação ao desmatamento intensivo (fornecedores de oxigênio), poluição meio Ambiente, incineração de resíduos e outros. Escrevemos mais sobre isso no passado sobre os problemas ambientais do nosso tempo.

Importância do oxigênio na natureza

Foi a presença de oxigênio, combinado com água, que fez com que a vida em nosso planeta se tornasse possível. Como observamos acima, os principais fornecedores deste gás único são várias plantas, incluindo a maior quantidade de oxigênio liberada por algas submarinas. Eles produzem oxigênio e alguns tipos de bactérias. O oxigênio na atmosfera superior forma uma camada de ozônio que protege todos os habitantes da Terra da radiação solar ultravioleta prejudicial.

A estrutura da molécula de oxigênio

A molécula de oxigênio consiste em dois átomos, a fórmula química é O 2. Como é formada uma molécula de oxigênio? O mecanismo de sua formação é apolar, ou seja, devido à socialização de cada átomo por um elétron. A ligação entre as moléculas de oxigênio também é covalente e não polar, enquanto é dupla, porque cada um dos átomos de oxigênio tem dois elétrons desemparelhados no nível externo.

É assim que uma molécula de oxigênio se parece, devido às suas características é muito estável. Para muitos com sua participação, são necessárias condições especiais: aquecimento, alta pressão, uso de catalisadores.

Propriedades físicas do oxigênio

  • Em primeiro lugar, o oxigênio é um gás que compõe 21% do ar.
  • O oxigênio não tem cor, nem sabor, nem cheiro.
  • Pode ser dissolvido em matéria orgânica, absorvido por carvão e pós.
  • - O ponto de ebulição do oxigênio é -183 C.
  • A densidade do oxigênio é 0,0014 g/cm 3

Propriedades químicas do oxigênio

A principal propriedade química do oxigênio é, obviamente, seu suporte para a combustão. Ou seja, em um vácuo onde não há oxigênio, o fogo não é possível. Se, no entanto, uma tocha fumegante for reduzida a oxigênio puro, ela se acenderá com nova força. A combustão de várias substâncias é um processo químico redox no qual o oxigênio desempenha o papel de um agente oxidante. Agentes oxidantes são substâncias que “retiram” elétrons de substâncias redutoras. As excelentes propriedades oxidantes do oxigênio são devidas à sua camada externa de elétrons.

A camada de valência do oxigênio está localizada próxima ao núcleo e, como resultado, o núcleo atrai elétrons para si. O oxigênio também ocupa o segundo lugar depois do flúor na escala de eletronegatividade de Pauling, por esse motivo, ao entrar em reações químicas com todos os outros elementos (com exceção do flúor), o oxigênio atua como um agente oxidante negativo. E somente reagindo com flúor, o oxigênio tem um efeito oxidativo positivo.

E como o oxigênio é o segundo agente oxidante mais poderoso entre todos os elementos químicos da tabela periódica, isso também determina suas propriedades químicas.

Obtenção de oxigênio

Para obter oxigênio em condições de laboratório, é usado o método de tratamento térmico de peróxidos ou sais de ácidos ácidos. Sob a ação da alta temperatura, eles se decompõem com a liberação de oxigênio puro. O oxigênio também pode ser obtido usando peróxido de hidrogênio, mesmo uma solução de peróxido de 3% se decompõe instantaneamente sob a ação de um catalisador, liberando oxigênio.

2KC l O 3 \u003d 2KC l + 3O 2 - é assim que a reação química de obtenção de oxigênio se parece.

Também na indústria, a eletrólise da água é usada como outra maneira de produzir oxigênio, durante o qual as moléculas de água se decompõem e, novamente, o oxigênio puro é liberado.

O uso de oxigênio na indústria

Na indústria, o oxigênio é usado ativamente em áreas como:

  • Metalurgia (ao soldar e cortar metais).
  • O remédio.
  • Agricultura.
  • Como combustível de foguete.
  • Para purificação e desinfecção de água.
  • Síntese de alguns compostos químicos, incluindo explosivos.

Vídeo de oxigênio

E, finalmente, um vídeo educativo sobre oxigênio.

propriedades físicas. Em condições normais, o oxigênio é um gás incolor e inodoro, ligeiramente solúvel em água (5 volumes de oxigênio se dissolvem em 1 volume de água a 0°C e 3 volumes de oxigênio a 20°C). Em outros solventes, sua solubilidade também é desprezível.

No pressão atmosférica o oxigênio se liquefaz a -183 graus. C, e endurece a -219 graus. C. Nos estados líquido e sólido, o oxigênio é de cor azul e possui propriedades magnéticas.

Propriedades quimicas. O oxigênio é um não metal ativo. Em todos os compostos, exceto para compostos com flúor e peróxidos, tem um estado de oxidação de -2, (em compostos com flúor, o oxigênio exibe um estado de oxidação de +2, e em compostos de peróxido, seu estado de oxidação é -1 ou mesmo um número fracionário. Isso se deve ao fato de que nos peróxidos, 2 ou mais átomos de oxigênio estão conectados entre si).

O oxigênio interage com todos os metais, com exceção dos metais ouro e platina (exceto ósmio), formando óxidos:

2 Mg + O 2 = 2 MgO (óxido de magnésio);

4 Al + 3 O 2 \u003d 2 Al 2 O 3 (óxido de alumínio).

Vários metais, além dos óxidos básicos, formam óxidos anfotéricos (ZnO, Cr 2 O 3, Al 2 O 3, etc.) e até ácidos (CrO 3 , Mn 2 O 7, etc.).

Também interage com todos, exceto halogênios, não metais, formando óxidos ácidos ou não formadores de sal (indiferentes):

S + O 2 \u003d SO 2 (óxido de enxofre (IV));

4 P + 5 O 2 \u003d 2 P 2 O 5 (óxido de fósforo (V));

N 2 + O 2 \u003d 2 NO (óxido nítrico (II)).

Óxidos de metais de ouro e platina são obtidos pela decomposição deles (hidróxidos e compostos de oxigênio de halogênios - por desidratação cuidadosa de seus ácidos contendo oxigênio).

No oxigênio e no ar, muitas substâncias inorgânicas e orgânicas oxidam facilmente (queimar ou arder). De substâncias inorgânicas, exceto metais e não metais, todos os compostos de metais com não metais reagem com oxigênio, com exceção de cloretos e brometos:

CaH 2 + O 2 \u003d CaO + H 2 O;

2 ZnS + 3 O 2 \u003d 2 ZnO + 2 SO 2;

Mg 3 P 2 + 4 O 2 \u003d Mg 3 (PO 4) 2;

Ca 2 Si + 2 O 2 \u003d Ca 2 SiO 4;

4 KI + O 2 + 2 H 2 O \u003d 4 KOH + I 2.

Dos compostos orgânicos, quase tudo interage com o oxigênio, exceto hidrocarbonetos totalmente fluorados (freons), bem como derivados de cloro e bromo com alto teor de cloro ou bromo (clorofórmio, tetracloreto de carbono, policloroetanos e derivados semelhantes de bromo):

C 3 H 8 + 5 O 2 \u003d 3 CO 2 + 4 H 2 O;

2 C 2 H 5 OH + O 2 \u003d 2 CH 3 CHO + 2 H 2 O;

2 CH 3 CHO + O 2 \u003d 2 CH 3 COOH;

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 \u003d 6 CO 2 + 6 H 2 O;

2 C 6 H 6 + 15 O 2 \u003d 12 CO 2 + 6 H 2 O.

No estado atômico, o oxigênio é mais ativo do que no estado molecular. Esta propriedade é usada para branquear vários materiais (as substâncias orgânicas corantes são mais facilmente destruídas). No estado molecular, o oxigênio pode existir na forma de oxigênio (O 2) e ozônio (O 3), ou seja, é caracterizado pelo fenômeno da alotropia.

O conteúdo do artigo

OXIGÊNIO, O (oxigênio), um elemento químico do subgrupo VIA da Tabela Periódica dos Elementos: O, S, Se, Te, Po, é um membro da família dos calcogênios. Este é o elemento mais comum na natureza, seu conteúdo na atmosfera terrestre é de 21% (vol.), na crosta terrestre na forma de compostos de aprox. 50% (peso) e na hidrosfera 88,8% (peso).

O oxigênio é essencial para a vida na Terra: animais e plantas consomem oxigênio através da respiração e as plantas liberam oxigênio através da fotossíntese. A matéria viva contém oxigênio ligado não apenas em fluidos corporais (células do sangue, etc.), mas também em carboidratos (açúcar, celulose, amido, glicogênio), gorduras e proteínas. Argilas, rochas são compostas de silicatos e outros compostos inorgânicos contendo oxigênio, como óxidos, hidróxidos, carbonatos, sulfatos e nitratos.

Referência histórica.

As primeiras informações sobre o oxigênio tornaram-se conhecidas na Europa a partir de manuscritos chineses do século VIII. No início do século XVI Leonardo da Vinci publicou dados relacionados à química do oxigênio, ainda sem saber que o oxigênio era um elemento. As reações de adição de oxigênio são descritas em papéis científicos S. Gales (1731) e P. Bayen (1774). Os estudos de K. Scheele em 1771-1773 da interação de metais e fósforo com oxigênio merecem atenção especial. J. Priestley relatou a descoberta do oxigênio como elemento em 1774, alguns meses depois de Bayen relatar as reações com o ar. O nome oxigenium ("oxigênio") foi dado a este elemento logo após a descoberta de Priestley, e é derivado das palavras gregas para "produtor de ácido"; isso se deve ao equívoco de que o oxigênio está presente em todos os ácidos. A explicação do papel do oxigênio nos processos de respiração e combustão, porém, pertence a A. Lavoisier (1777).

A estrutura do átomo.

Qualquer átomo de oxigênio natural contém 8 prótons no núcleo, mas o número de nêutrons pode ser 8, 9 ou 10. O mais comum dos três isótopos de oxigênio (99,76%) é 16 8 O (8 prótons e 8 nêutrons). O conteúdo de outro isótopo, 18 8 O (8 prótons e 10 nêutrons), é de apenas 0,2%. Este isótopo é usado como rótulo ou para a identificação de certas moléculas, bem como para estudos bioquímicos e médico-químicos (um método para estudar traços não radioativos). O terceiro isótopo de oxigênio não radioativo 17 8 O (0,04%) contém 9 nêutrons e tem um número de massa de 17. Depois que a massa do isótopo de carbono 12 6 C foi aceita pela Comissão Internacional como a massa atômica padrão em 1961, o massa atômica média ponderada de oxigênio tornou-se 15, 9994. Até 1961, os químicos consideravam a unidade padrão de massa atômica como sendo a massa atômica do oxigênio, que se supunha ser 16.000 para uma mistura de três isótopos naturais de oxigênio. Os físicos tomaram o número de massa do isótopo de oxigênio 16 8 O como uma unidade padrão de massa atômica, portanto, de acordo com a escala física, a massa atômica média do oxigênio era 16,0044.

Existem 8 elétrons em um átomo de oxigênio, com 2 elétrons no nível interno e 6 elétrons no externo. Portanto, em reações químicas, o oxigênio pode aceitar de doadores até dois elétrons, completando sua camada externa até 8 elétrons e formando um excesso de carga negativa.

Oxigênio molecular.

Como a maioria dos outros elementos, cujos átomos carecem de 1 a 2 elétrons para completar a camada externa de 8 elétrons, o oxigênio forma uma molécula diatômica. Este processo libera muita energia (~490 kJ/mol) e, consequentemente, a mesma quantidade de energia deve ser gasta para o processo reverso de dissociação da molécula em átomos. A força da ligação O-O é tão alta que a 2300°C apenas 1% das moléculas de oxigênio se dissociam em átomos. (É digno de nota que na formação da molécula de nitrogênio N 2 a força da ligação N–N é ainda maior, ~710 kJ/mol.)

Estrutura eletrônica.

Na estrutura eletrônica da molécula de oxigênio, como seria de se esperar, a distribuição de elétrons por um octeto ao redor de cada átomo não é realizada, mas há elétrons desemparelhados, e o oxigênio exibe propriedades típicas de tal estrutura (por exemplo, interage com campo magnético, sendo um paraímã).

Reações.

Sob condições apropriadas, o oxigênio molecular reage com quase qualquer elemento, exceto os gases nobres. No entanto, quando condições do quarto apenas os elementos mais ativos reagem com o oxigênio com rapidez suficiente. É provável que a maioria das reações ocorra apenas após a dissociação do oxigênio em átomos, e a dissociação ocorre apenas em temperaturas muito altas. No entanto, catalisadores ou outras substâncias no sistema reagente podem promover a dissociação do O 2 . Sabe-se que os metais alcalinos (Li, Na, K) e alcalino-terrosos (Ca, Sr, Ba) reagem com o oxigênio molecular para formar peróxidos:

Recebimento e aplicação.

Devido à presença de oxigênio livre na atmosfera, o método mais eficaz de sua extração é a liquefação do ar, do qual são removidas impurezas, CO 2 , poeira, etc. química e métodos físicos. O processo cíclico inclui compressão, resfriamento e expansão, o que leva à liquefação do ar. Com um aumento lento da temperatura (destilação fracionada), o ar líquido evapora primeiro os gases nobres (os mais difíceis de liquefazer), depois o nitrogênio e o oxigênio líquido permanece. Como resultado, o oxigênio líquido contém traços de gases nobres e uma porcentagem relativamente alta de nitrogênio. Para muitas aplicações, essas impurezas não interferem. No entanto, para obter oxigênio de alta pureza, o processo de destilação deve ser repetido. O oxigênio é armazenado em tanques e cilindros. É usado em grandes quantidades como oxidante de querosene e outros combustíveis em foguetes e naves espaciais. A indústria siderúrgica usa gás oxigênio para soprar o ferro fundido usando o método Bessemer para de forma rápida e remoção eficiente impurezas C, S e P. O jato de oxigênio produz aço mais rápido e melhor do que o jato de ar. O oxigênio também é usado para soldagem e corte de metais (chama oxi-acetileno). O oxigênio também é usado na medicina, por exemplo, para enriquecer o ambiente respiratório de pacientes com dificuldade para respirar. O oxigênio pode ser obtido em vários métodos químicos, e alguns deles são usados ​​para obter pequenas quantidades de oxigênio puro na prática laboratorial.

Eletrólise.

Um dos métodos para obtenção de oxigênio é a eletrólise da água contendo pequenas adições de NaOH ou H 2 SO 4 como catalisador: 2H 2 O ® 2H 2 + O 2. Nesse caso, pequenas impurezas de hidrogênio são formadas. Com a ajuda de um dispositivo de descarga, vestígios de hidrogênio na mistura gasosa são novamente convertidos em água, cujos vapores são removidos por congelamento ou adsorção.

Dissociação térmica.

Um importante método laboratorial para obtenção de oxigênio, proposto por J. Priestley, é a decomposição térmica de óxidos de metais pesados: 2HgO ® 2Hg + O 2 . Para isso, Priestley focou os raios do sol no pó de óxido de mercúrio. Um método de laboratório bem conhecido também é a dissociação térmica de oxosais, por exemplo, clorato de potássio na presença de um catalisador - dióxido de manganês:

O dióxido de manganês, adicionado em pequenas quantidades antes da calcinação, permite manter a temperatura e a taxa de dissociação necessárias, e o próprio MnO 2 não se altera durante o processo.

Métodos de decomposição térmica de nitratos também são usados:

bem como peróxidos de alguns metais ativos, por exemplo:

2BaO 2 ® 2BaO + O 2

Este último método já foi amplamente utilizado para extrair oxigênio da atmosfera e consistia em aquecer BaO no ar até a formação de BaO 2, seguido de decomposição térmica do peróxido. O método de decomposição térmica mantém sua importância para a produção de peróxido de hidrogênio.

ALGUMAS PROPRIEDADES FÍSICAS DO OXIGÊNIO
número atômico 8
Massa atômica 15,9994
Ponto de fusão, °С –218,4
Ponto de ebulição, °С –183,0
Densidade
sólido, g/cm 3 (em t pl) 1,27
líquido g / cm 3 (em t kip) 1,14
gasoso, g / dm 3 (a 0 ° C) 1,429
em relação ao ar 1,105
crítico a, g / cm 3 0,430
Temperatura crítica a, °С –118,8
Pressão crítica a, atm 49,7
Solubilidade, cm 3/100 ml de solvente
em água (0°C) 4,89
em água (100°C) 1,7
em álcool (25°C) 2,78
Raio, Å 0,74
covalente 0,66
iônico (O 2–) 1,40
Potencial de ionização, V
o primeiro 13,614
segundo 35,146
Eletronegatividade (F=4) 3,5
a A temperatura e a pressão nas quais a densidade de um gás e de um líquido é a mesma.

propriedades físicas.

O oxigênio em condições normais é um gás incolor, inodoro e insípido. O oxigênio líquido tem uma cor azul pálida. O oxigênio sólido existe em pelo menos três modificações cristalinas. O oxigênio gasoso é solúvel em água e provavelmente forma compostos instáveis ​​como O 2 H H 2 O e possivelmente O 2 H 2H 2 O.

Propriedades quimicas.

Como já mencionado, a atividade química do oxigênio é determinada por sua capacidade de se dissociar em átomos de O, que são altamente reativos. Apenas os metais e minerais mais ativos reagem com O 2 em alta taxa em baixas temperaturas. Os metais alcalinos mais ativos (subgrupos IA) e alguns metais alcalino-terrosos (subgrupos IIA) formam peróxidos como NaO 2 e BaO 2 com O 2 . Outros elementos e compostos reagem apenas com o produto de dissociação O 2 . Em condições adequadas, todos os elementos, exceto os gases nobres e os metais Pt, Ag, Au, reagem com o oxigênio. Esses metais também formam óxidos, mas em condições especiais.

A estrutura eletrônica do oxigênio (1s 2 2s 2 2p 4) é tal que o átomo de O recebe dois elétrons para o nível externo para formar uma camada eletrônica externa estável, formando um íon O 2–. em óxidos metais alcalinos ligações predominantemente iônicas são formadas. Pode-se supor que os elétrons desses metais são quase inteiramente atraídos pelo oxigênio. Em óxidos de metais e não metais menos ativos, a transição de elétrons é incompleta e a densidade de carga negativa no oxigênio é menos pronunciada, de modo que a ligação é menos iônica ou mais covalente.

Durante a oxidação de metais com oxigênio, o calor é liberado, cuja magnitude se correlaciona com a força da ligação M-O. Durante a oxidação de alguns não metais, o calor é absorvido, o que indica suas ligações mais fracas com o oxigênio. Esses óxidos são termicamente instáveis ​​(ou menos estáveis ​​do que os óxidos ligados ionicamente) e muitas vezes são altamente reativos. A tabela mostra para comparação os valores das entalpias de formação de óxidos dos metais mais típicos, metais de transição e não metais, elementos dos subgrupos A e B (o sinal de menos significa liberação de calor).

Várias conclusões gerais podem ser tiradas sobre as propriedades dos óxidos:

1. Os pontos de fusão dos óxidos de metais alcalinos diminuem com o aumento do raio atômico do metal; Então, t pl (Cs 2 O) t pl (Na 2 O). Óxidos em que a ligação iônica predomina têm mais temperaturas altas pontos de fusão do que os pontos de fusão de óxidos covalentes: t pl (Na 2 O) > t pl (SO2).

2. Óxidos de metais reativos (subgrupos IA–IIIA) são termicamente mais estáveis ​​que óxidos de metais de transição e não metais. Os óxidos de metais pesados ​​no estado de oxidação mais alto durante a dissociação térmica formam óxidos com estados de oxidação mais baixos (por exemplo, 2Hg 2+ O ® (Hg +) 2 O + 0,5O 2 ® 2Hg 0 + O 2). Tais óxidos em altos estados de oxidação podem ser bons oxidantes.

3. Os metais mais ativos interagem com o oxigênio molecular em temperaturas elevadas com a formação de peróxidos:

Sr + O 2 ® SrO 2 .

4. Os óxidos de metais ativos formam soluções incolores, enquanto os óxidos da maioria dos metais de transição são coloridos e praticamente insolúveis. Soluções aquosas de óxidos metálicos exibem propriedades básicas e são hidróxidos contendo grupos OH, enquanto óxidos não metálicos em soluções aquosas formam ácidos contendo um íon H+.

5. Metais e não metais dos subgrupos A formam óxidos com um estado de oxidação correspondente ao número do grupo, por exemplo, Na, Be e B formam Na 1 2 O, Be II O e B 2 III O 3, e não- metais IVA-VIIA dos subgrupos C, N, S, Cl formam C IV O 2 , NV 2 O 5 , S VI O 3 , Cl VII 2 O 7 . O número de grupo de um elemento se correlaciona apenas com o estado de oxidação máximo, uma vez que óxidos com estados de oxidação mais baixos dos elementos também são possíveis. Nos processos de combustão de compostos, os óxidos são produtos típicos, por exemplo:

2H 2 S + 3O 2 ® 2SO 2 + 2H 2 O

Substâncias contendo carbono e hidrocarbonetos são oxidados (queimados) a CO 2 e H 2 O quando levemente aquecidos.Exemplos de tais substâncias são combustíveis - madeira, petróleo, álcoois (assim como carbono - carvão, coque e carvão vegetal). O calor do processo de combustão é utilizado para produzir vapor (e depois eletricidade ou vai para usinas de energia), bem como para aquecimento doméstico. Equações típicas para processos de combustão são:

a) madeira (celulose):

(C6H10O5) n + 6n O 2 ® 6 n CO2+5 n H 2 O + energia térmica

b) óleo ou gás (gasolina C 8 H 18 ou gás natural CH 4):

2C 8 H 18 + 25O 2 ® 16CO 2 + 18H 2 O + energia térmica

CH 4 + 2O 2 ® CO 2 + 2H 2 O + energia térmica

C 2 H 5 OH + 3O 2 ® 2CO 2 + 3H 2 O + energia térmica

d) carbono (pedra ou carvão, coque):

2C + O 2 ® 2CO + energia térmica

2CO + O 2 ® 2CO 2 + energia térmica

Vários compostos contendo C-, H-, N-, O com alta reserva de energia também estão sujeitos à combustão. O oxigênio para oxidação pode ser usado não apenas da atmosfera (como nas reações anteriores), mas também da própria substância. Para iniciar uma reação, uma leve ativação da reação, como um golpe ou uma sacudida, é suficiente. Nessas reações, os óxidos também são produtos de combustão, mas são todos gasosos e se expandem rapidamente a uma alta temperatura final do processo. Portanto, tais substâncias são explosivas. Exemplos de explosivos são trinitroglicerina (ou nitroglicerina) C 3 H 5 (NO 3) 3 e trinitrotolueno (ou TNT) C 7 H 5 (NO 2) 3 .

Óxidos de metais ou não metais com os estados de oxidação mais baixos de um elemento reagem com o oxigênio para formar óxidos altos graus oxidação deste elemento:

Óxidos naturais, obtidos de minérios ou sintetizados, servem como matéria-prima para a produção de muitos metais importantes, por exemplo, ferro de Fe 2 O 3 (hematita) e Fe 3 O 4 (magnetita), alumínio de Al 2 O 3 (alumina ), magnésio a partir de MgO (magnésia). Óxidos de metais leves são usados ​​na indústria química para produzir álcalis ou bases. O peróxido de potássio KO 2 encontra um uso incomum, pois na presença de umidade e como resultado da reação com ela, libera oxigênio. Portanto, KO 2 é usado em respiradores para produzir oxigênio. A umidade do ar exalado libera oxigênio no respirador e o KOH absorve CO 2 . A produção de óxido de CaO e hidróxido de cálcio Ca(OH) 2 é uma produção em larga escala na tecnologia de cerâmica e cimento.

Água (óxido de hidrogênio).

A importância da água H 2 O tanto na prática laboratorial para reações químicas quanto nos processos da vida requer consideração especial desta substância ÁGUA, GELO E VAPOR) . Como já mencionado, na interação direta de oxigênio e hidrogênio em condições de, por exemplo, uma descarga de faísca, ocorre uma explosão e a formação de água, com a liberação de 143 kJ/(mol H 2 O).

A molécula de água tem uma estrutura quase tetraédrica, o ângulo H–O–H é 104° 30°. As ligações na molécula são parcialmente iônicas (30%) e parcialmente covalentes com alta densidade carga negativa para o oxigênio e, consequentemente, cargas positivas para o hidrogênio:

Devido à alta força das ligações H-O, o hidrogênio dificilmente é separado do oxigênio e a água exibe propriedades ácidas muito fracas. Muitas propriedades da água são determinadas pela distribuição de cargas. Por exemplo, uma molécula de água forma um hidrato com um íon metálico:

A água dá um par de elétrons a um aceptor, que pode ser H +:

Oxoânions e oxocátions

- partículas contendo oxigênio com uma carga residual negativa (oxoânions) ou residual positiva (oxocátions). O íon O 2– tem alta afinidade (alta reatividade) para partículas carregadas positivamente do tipo H +. O representante mais simples de oxoanions estáveis ​​é o íon hidróxido OH - . Isso explica a instabilidade de átomos com alta densidade de carga e sua estabilização parcial como resultado da ligação de uma partícula com carga positiva. Portanto, quando o metal ativo (ou seu óxido) atua sobre a água, forma-se OH, e não O 2–:

2Na + 2H 2 O ® 2Na + + 2OH - + H 2

Na 2 O + H 2 O ® 2Na + + 2OH -

Oxoânions mais complexos são formados a partir de oxigênio com um íon metálico ou uma partícula não metálica que possui uma grande carga positiva, resultando em uma partícula de baixa carga e mais estável, por exemplo:

°C um sólido roxo escuro é formado. O ozônio líquido é ligeiramente solúvel em oxigênio líquido, e 49 cm 3 O 3 se dissolve em 100 g de água a 0 ° C. Em termos de propriedades químicas, o ozônio é muito mais ativo que o oxigênio e, em termos de propriedades oxidantes, perde apenas para O, F 2 e OF 2 (difluoreto de oxigênio). A oxidação normal produz um óxido e oxigênio molecular O 2 . Sob a ação do ozônio em metais ativos sob condições especiais, são formados ozonídeos da composição K + O 3 -. O ozônio é obtido na indústria para fins especiais, é um bom desinfetante e é usado para purificar a água e como alvejante, melhora a condição da atmosfera em sistemas fechados, desinfeta objetos e alimentos, acelera o amadurecimento de grãos e frutas. NO laboratório químico um ozonizador é frequentemente usado para produzir ozônio, o que é necessário para alguns métodos de análise química e síntese. A borracha é facilmente destruída mesmo sob a influência de baixas concentrações de ozônio. Em algumas cidades industriais, uma concentração significativa de ozônio no ar leva à rápida deterioração dos produtos de borracha se não forem protegidos com antioxidantes. O ozônio é altamente tóxico. A inalação constante de ar, mesmo com concentrações muito baixas de ozônio, causa dores de cabeça, náuseas e outras condições desagradáveis.

O oxigênio é um dos elementos mais importantes do nosso planeta. As propriedades químicas desta substância permitem que ela participe de processos biológicos, e o aumento da atividade torna o oxigênio um participante significativo em todas as reações químicas conhecidas. No estado livre, esta substância está presente na atmosfera. Em um estado ligado, o oxigênio faz parte de minerais, rochas e substâncias complexas que compõem vários organismos vivos. A quantidade total de oxigênio na Terra é estimada em 47% da massa total do nosso planeta.

Designação de oxigênio

No sistema periódico, o oxigênio ocupa a oitava célula desta tabela. Seu nome internacional é oxigênio. Nos registros químicos, é denotado pela letra latina "O". NO ambiente natural oxigênio atômico não ocorre, suas partículas se combinam para formar moléculas de gás pareadas, cujo peso molecular é de 32 g / mol.

Ar e oxigênio

O ar é uma mistura de vários gases comuns na Terra. A maioria em massa de ar nitrogênio - 78,2% em volume e 75,5% em peso. O oxigênio ocupa apenas o segundo lugar em termos de volume - 20,9% e em termos de massa - 23,2%. O terceiro lugar é atribuído aos gases nobres. As impurezas restantes - dióxido de carbono, vapor de água, poeira, etc. - ocupam apenas frações de um por cento da massa total de ar.

Toda a massa de oxigênio natural é uma mistura de três isótopos - 16 O, 17 O, 18 O. A porcentagem desses isótopos na massa total de oxigênio é de 99,76%, 0,04% e 0,2%, respectivamente.

Propriedades físicas e químicas do oxigênio

Um litro de ar em condições normais pesa 1,293 g. Quando a temperatura cai para -140⁰С, o ar se torna um líquido transparente incolor. Apesar do baixo ponto de ebulição, o ar pode ser armazenado em Estado líquido mesmo em temperatura ambiente. Para fazer isso, o líquido deve ser colocado no chamado recipiente Dewar. A imersão em oxigênio líquido muda radicalmente as propriedades usuais dos objetos.

O álcool etílico e muitos gases tornam-se objetos sólidos, o mercúrio torna-se duro e maleável e uma bola de borracha perde sua elasticidade e se desfaz ao menor impacto.

O oxigênio se dissolve na água, embora em pequenas quantidades - água do mar contém 3-5% de oxigênio. Mas mesmo uma quantidade tão pequena desse gás lançou as bases para a existência de peixes, mariscos e vários organismos marinhos, que recebem oxigênio da água para manter seus próprios processos de suporte à vida.

A estrutura do átomo de oxigênio

As propriedades descritas do oxigênio são explicadas principalmente pela estrutura interna desse elemento.

O oxigênio pertence ao subgrupo principal do sexto grupo de elementos do sistema periódico. Existem seis elétrons na nuvem eletrônica externa do elemento, quatro dos quais ocupam orbitais p, e os dois restantes estão localizados em orbitais s. Tal estrutura interna causa grandes custos de energia destinados a quebrar ligações eletrônicas - é mais fácil para um átomo de oxigênio emprestar dois elétrons ausentes para um orbital externo do que desistir de seus seis. Portanto, a covalência do oxigênio na maioria dos casos é igual a dois. Graças a dois elétrons livres, o oxigênio forma facilmente moléculas diatômicas, caracterizadas por alta força de ligação. Somente em uma energia aplicada acima de 498 J/mol as moléculas se desintegram e o oxigênio atômico é formado. As propriedades químicas deste elemento permitem que ele reaja com todas as substâncias conhecidas, excluindo hélio, neônio e argônio. A taxa de interação depende da temperatura da reação e da natureza da substância.

Propriedades químicas do oxigênio

A PARTIR DE várias substâncias o oxigênio entra em reações de formação de óxido, e essas reações são características de metais e não metais. Os compostos de oxigênio com metais são chamados de óxidos básicos - óxido de magnésio e óxido de cálcio são exemplos clássicos. A interação dos óxidos metálicos com a água leva à formação de hidróxidos, confirmando as propriedades químicas ativas do oxigênio. Com os não metais, esta substância forma óxidos ácidos - por exemplo, trióxido de enxofre SO 3. Quando este elemento interage com a água, obtém-se o ácido sulfúrico.

Atividade química

O oxigênio interage diretamente com a grande maioria dos elementos. As exceções são ouro, halogênios e platina. A interação do oxigênio com certas substâncias é muito acelerada na presença de catalisadores. Por exemplo, uma mistura de hidrogênio e oxigênio reage na presença de platina mesmo à temperatura ambiente. Com uma explosão ensurdecedora, a mistura se transforma em água plana, importante parte integral que é oxigênio. Propriedades químicas e alta atividade Os elementos explicam a liberação de uma grande quantidade de luz e calor, de modo que as reações químicas com o oxigênio são frequentemente chamadas de combustão.

A combustão no oxigênio puro é muito mais intensa do que no ar, embora a quantidade de calor liberada durante a reação seja aproximadamente a mesma, mas o processo prossegue muito mais rápido devido à ausência de nitrogênio e a temperatura de combustão torna-se mais alta.

Obtenção de oxigênio

Em 1774, o cientista inglês D. Priestley isolou um gás desconhecido da reação de decomposição do óxido de mercúrio. Mas o cientista não conectou o gás liberado com a substância já conhecida que faz parte do ar. Apenas alguns anos depois, o grande Lavoisier estudou as propriedades físico-químicas do oxigênio obtido nessa reação e comprovou sua identidade com o gás que faz parte do ar. NO mundo moderno oxigênio é obtido do ar. Nos laboratórios, uso oxigênio industrial, que é fornecido em cilindros a uma pressão de cerca de 15 MPa. O oxigênio puro também pode ser obtido em laboratório, o método padrão para sua produção é a decomposição térmica do permanganato de potássio, que prossegue de acordo com a fórmula:

Obtendo ozônio

Se a eletricidade passar pelo oxigênio ou pelo ar, um cheiro característico aparecerá na atmosfera, prenunciando o aparecimento de uma nova substância - ozônio. O ozônio também pode ser obtido a partir de oxigênio quimicamente puro. A formação desta substância pode ser expressa pela fórmula:

Essa reação não pode ocorrer de forma independente - é necessária energia externa para sua conclusão bem-sucedida. Mas a transformação reversa do ozônio em oxigênio ocorre espontaneamente. As propriedades químicas do oxigênio e do ozônio diferem de muitas maneiras. O ozônio difere do oxigênio em densidade, ponto de fusão e ponto de ebulição. Em condições normais, este gás é de cor azul e tem um odor característico. O ozônio tem uma maior condutividade elétrica e é mais solúvel em água do que o oxigênio. As propriedades químicas do ozônio são explicadas pelo processo de sua decomposição - quando uma molécula dessa substância se decompõe, forma-se uma molécula diatômica de oxigênio mais um átomo livre desse elemento, que reage agressivamente com outras substâncias. Por exemplo, a reação da interação de ozônio e oxigênio é conhecida: 6Ag + O 3 \u003d 3Ag 2 O

Mas o oxigênio comum não combina com a prata mesmo em altas temperaturas.

Na natureza, o decaimento ativo do ozônio está repleto da formação dos chamados buracos de ozônio, que ameaçam os processos de vida em nosso planeta.