Химия Инфо

Кислород, озон и состав воздуха

Слово «кислород» используют и для элемента O, и для простого вещества O2. Вода содержит элемент кислород, но не является смесью водорода с пузырьками O2. Озон O3 тоже состоит только из атомов этого элемента, однако имеет другие свойства. Сравнение этих веществ помогает понять состав воздуха, горение и аллотропию.

Элемент и два простых вещества

Кислород O — элемент с атомным номером 8. Кислород O2 и озон O3 — разные простые вещества, образованные одним элементом; это аллотропные формы.

У атома O восемь протонов и, если атом нейтрален, восемь электронов. В школьной записи его электронные слои распределены как 2,6. В молекуле O2 два атома, в молекуле O3 три. Изменение числа атомов в молекуле меняет свойства вещества, но не превращает кислород в другой элемент.

ПризнакO2O3
Число атомов в молекуле23
Молярная масса при Ar(O) = 1632 г/моль48 г/моль
Обычные свойстваБесцветный газ без запахаГаз с характерным резким запахом; в достаточно толстом слое голубоватый
УстойчивостьБолее устойчивая форма в обычных условияхМенее устойчив, способен разлагаться до O2

Озон обычно проявляет более сильные окислительные свойства, чем O2, но сравнение конкретных реакций требует условий. Он токсичен; намеренно распознавать его вдыханием нельзя.

Воздух — смесь газов

Для сухого воздуха у поверхности Земли используют следующие приблизительные объёмные доли. Доля водяного пара исключена из определения «сухой»; влажность в реальном воздухе меняется.

КомпонентПриблизительная объёмная доля
Азот N278%
Кислород O221%
Аргон ArОколо 0,93%
Углекислый газ CO2Порядка 0,04%; содержание изменяется
Другие газыМалые доли

Числа округлены для учебного ориентирования. Объёмная доля — отношение объёма компонента к общему объёму смеси при одинаковых температуре и давлении. Это не массовая доля. Азота в воздухе больше всего, хотя именно O2 необходим для обычного горения и многих процессов дыхания.

Кислород поддерживает горение, но сам не является горючим топливом. Обогащение среды кислородом повышает пожарную опасность: знакомые материалы могут воспламеняться легче и гореть интенсивнее.

Воздух не имеет постоянной химической формулы: это смесь с переменным содержанием водяного пара и примесей. В промышленности кислород выделяют из воздуха физическими методами, например разделением предварительно сжиженной смеси; такой процесс не создаёт атомы кислорода химической реакцией.

Химические свойства кислорода

O2 — распространённый окислитель. Многие реакции с ним требуют начального нагревания или зажигания. Магний образует оксид магния:

2Mg + O2 → 2MgO.

При полном сгорании углерода в достаточном количестве кислорода:

C + O2 → CO2.

При полном сгорании метана:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.

Недостаток кислорода может изменить продукты: при неполном сгорании углеродсодержащих веществ возможно образование угарного газа CO и сажи. Нельзя считать, что любой процесс с участием O2 автоматически даёт один и тот же оксид.

Горение — быстрое окисление с выделением теплоты, часто сопровождающееся свечением. Но окисление бывает и медленным, без пламени. Ржавление железа требует участия кислорода, воды и других факторов; реальная ржавчина не является одним чистым веществом с универсальной простой формулой.

Получение и превращения озона

Кислород может образовываться при разложении пероксида водорода; катализатор, например MnO2, ускоряет процесс:

2H2O2 → 2H2O + O2↑.

Другой путь — электролиз воды с затратой электрической энергии и раздельным получением газов. В природе важнейший источник атмосферного O2 связан с фотосинтезом.

Озон образуется из кислорода под действием энергетических факторов, например электрического разряда; суммарная схема:

3O2 → 2O3, подвод энергии.

Обратное превращение сохраняет все атомы:

2O3 → 3O2.

Разложение озона сопровождается выделением энергии. Скорость зависит от температуры, примесей и поверхности. Формальная схема не означает, что обычный кислород сам быстро и полностью превращается в озон.

Роль озона зависит от места его нахождения. Стратосферный озон поглощает значительную часть опасного ультрафиолетового излучения; озон у поверхности Земли — загрязнитель воздуха. Один и тот же состав O3 не делает его полезным для вдыхания.

Три разобранных примера

1. Объём кислорода в воздухе

В условии задачи принято 21% O2 по объёму. В 100 л сухого воздуха, если объёмы сравниваются при одинаковых температуре и давлении:

V(O2) = 0,21 · 100 = 21 л.

Это объём кислородного компонента, а не объём всей смеси и не его масса. Для перехода к молям нужны температура и давление либо заданный молярный объём.

2. Одинаковая масса O2 и O3

Используем школьное Ar(O) = 16. Для 9,6 г каждого вещества:

n(O2) = 9,6/32 = 0,30 моль; n(O3) = 9,6/48 = 0,20 моль.

Молекул O2 больше в 1,5 раза. Однако количество атомов O одинаково:

nатомов(O) = 2 · 0,30 = 3 · 0,20 = 0,60 моль.

Одинаковая масса одного элемента не означает одинаковое число молекул его разных аллотропных форм.

3. Масса кислорода для магния

Пусть полностью сгорели 4,8 г Mg с образованием MgO. Принимаем школьные Ar(Mg) = 24, Ar(O) = 16.

n(Mg) = 4,8/24 = 0,20 моль; n(O2) = 0,20/2 = 0,10 моль.

m(O2) = 0,10 · 32 = 3,2 г; m(MgO) = 4,8 + 3,2 = 8,0 г.

Массу продукта проверили законом сохранения массы. Отношение коэффициентов Mg : O2 равно 2 : 1, но отношение их масс иное.

Частые ошибки

  • Считать O3 сложным веществом из-за трёх атомов: элемент в нём один.
  • Называть кислород топливом или азот главным поддерживающим горение компонентом воздуха.
  • Переносить 21% по объёму непосредственно на долю по массе.
  • Считать содержание водяного пара одинаковым в любом воздухе.
  • Объяснять пользу стратосферного озона как пользу его вдыхания.

Проверьте себя

  1. Простое или сложное вещество O3? Чем оно отличается от O2?
  2. В задаче объёмная доля O2 в сухом воздухе равна 21%. Какой объём O2 соответствует 250 л воздуха при тех же условиях?
  3. Уравняйте полное окисление углерода до CO2.
  4. Почему увеличение содержания O2 повышает пожарную опасность, хотя кислород не топливо?
  5. В 6,4 г O2 сколько молей молекул и сколько молей атомов O? Используйте Ar(O) = 16.

Ответы с объяснениями

  1. Простое вещество: содержит только кислород. В молекуле озона три атома вместо двух; это другая аллотропная форма с иной устойчивостью и реакционной способностью.

  2. Умножаем общий объём на долю:

    V(O2) = 250 · 0,21 = 52,5 л.

  3. Коэффициенты 1 : 1 : 1; для полного окисления нужен достаточный кислород и запуск горения:

    C + O2 → CO2.

  4. Кислород — окислитель. Его большее содержание облегчает и усиливает горение горючих материалов, поэтому отсутствие собственной горючести не означает пожарной безопасности среды.

  5. Школьная молярная масса O2 равна 32 г/моль:

    n(O2) = 6,4/32 = 0,20 моль; nатомов(O) = 2 · 0,20 = 0,40 моль.

Связанные темы

Простые вещества и аллотропия, оксиды, водород, вода.

Источники

Свойства кислорода: Royal Society of Chemistry, Oxygen; реакции и озон: OpenStax, Compounds of Oxygen. Состав воздуха: NOAA, The Atmosphere. Различие роли озона: US EPA, Ozone Basics.