4.Элементы viа подгруппы

O₂, S, Se, Te, Po

Атомы элементов имеют электронную конфигурацию валентного уровня s²p⁴ и проявляют степени окисления О₂: –2; S, Se, Te: +2, +4, +6, –2;

Физические свойства

Физические константы	O2	S	Se	Te	Po
Средняя атомная масса	16	32	79	127	[210]
R, атома Å	0,7	1,0	1,1	1,3	1,6
Ионизац. потенциал, I,эВ	13,6	10,4	9,8	9,0	8,4
Т плавления Сº	-219	119	221	450	(254)
Т кипения Сº	-183	445	685	990	(962)
Плотность г/см^3	1,4	2,1	4,8	6,3	9,3
Наличие в земн. коре, %	47,2	~0,1	6∙10^–5	1∙10^-6	(~2∙10^–14)

Кислород

Нахождение в природе. Кислород является наиболее распространенным элементом в природе. Его массовая доля в земной коре составляет 47%. В свободном состоянии он содержится в атмосфере (массовая доля 23%), входит в состав воды (88,9%), всех оксидов, из которых состоит земная кора, кислородосодержащих солей, а также многих органических веществ. При обычных условиях кислород – газ без цвета и запаха, слаборастворимый в воде и других растворителях. При атмосферном давлении кислород сжижается при –183 ºС, а затвердевает при –219 ºС.

Химические свойства. Кислород относится к активным неметаллам. Во всех соединениях, кроме соединений с фтором и пероксидов, он имеет степень окисления –2. (В соединениях с фтором он проявляет степень окисления +2, а в пероксидных соединениях степень его окисления равна –1).

Кислород взаимодействует со всеми металлами, за исключением золота и почти всех платиновых металлов (кроме осмия), образуя основные (CaO, MgO, Na₂O, CdO и др.), амфотерные (ZnO, MnO₂ ,Cr₂O₃, Al₂O₃ и др.) и кислотные оксиды (CrO₃, MnO₃, MоO₃ , V₂O₅ и др.):

2Mg + O₂ = 2MgO

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

Кислород взаимодействует со всеми неметаллами за исключением галогенов, образуя кислотные или несолеобразующие оксиды (CO, SiO, NO, N₂O):

S + O₂ = SO₂

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

N₂ + O₂ = 2NO

В кислороде и на воздухе окисляются неорганические и органические вещества. С кислородом реагируют все соединения металлов с неметаллами, за исключением хлоридов и бромидов:

CaH₂ + O₂ = CaO + H₂

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

Mg₃P₂ + 4O₂ = Mg₃(PO₄)₂

Ca₂Si + 2O₂ = Ca₂SiO₄

4KI + O₂ + 2H₂O = 4KOH + 2I₂

Из органических соединений с кислородом взаимодействуют почти все, кроме полностью фторированных углеводородов (фреонов), а также хлор- и бромпроизводных с большим содержанием хлора или брома (хлороформ, тетрахлорид углерода, полихлорэтаны и аналогичные бромпроизводные):

C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O

2C₂H₅OH + O₂ = 2CH₃CHO + 2H₂O

2CH₃CHO + O₂ = 2CH₃COOH

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O

2C₆H₆ + 15O₂ = 12CO₂ + 6H₂O

В атомарном состоянии кислород более активен, чем в молекулярном. Это свойство используют для отбеливания различных материалов (легче разрушаются окрашенные органические вещества). В молекулярном состоянии кислород может существовать в виде кислорода О₂ и озона О₃.

Получение. В лабораторных условиях кислород можно получить:

– разложением перманганата калия при нагревании:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

– разложением бертолетовой соли в присутствии диоксида марганца как катализатора:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂

– разложением нитратов щелочных или щелочноземельных металлов:

2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂

– разложением оксида ртути:

2HgO = 2Hg + O₂

В промышленности кислород получают либо электролизом воды, либо ректификацией жидкого воздуха. Сжижают воздух воздействием сильного давления (10 – 20 МПа), а затем резким его понижением. Жидкий воздух состоит из азота (около 80%) и кислорода (около20%). Примеси составляют около 1%. Поскольку азот кипит при –195,8 ºС, а температура кипения кислорода равна –183 ºС, из жидкого воздуха вначале отгоняется азот, а затем кислород.

Применение. Кислород применяют для интенсификации окислительных процессов в химической и металлургической промышленности: в реакциях окисления органических веществ, для обжига руд, выплавки чугуна и стали, при резке металлов, в горнодобывающей промышленности. Чистый кислород используется в медицине, в кислородных приборах для работы под землей, под водой, на больших высотах, и как окислитель ракетного топлива.

Озон. Окислительные свойства озона выражены более ярко, чем кислорода. Это объясняется тем, что озон легко распадается на молекулярный и атомарный кислород:

О₃ = О₂ + О

О₃ + 2КI + Н₂О = I₂ + О₂ + 2КОН

В природе озон образуется при электрических разрядах в атмосфере во время грозы, а также при окислении некоторых смолистых веществ хвойных деревьев.

Озон в значительных количествах может быть получен в особых приборах – озонаторах, в которых ток кислорода подвергается действию тихого электрического разряда. Процесс протекает по уравнению:

3О₂  2О₃

Состояние равновесия определяется условиями реакции (температурой, напряжением тока, чистотой кислорода, скоростью его пропускания и др.). При максимальных условиях удается добиться выхода озона до 25%.

Применение. Озон действует губительно на человеческий организм в концентрациях, превышающих 10^–4 мг/л. Его используют для стерилизации воды («озонирование воды»), так как он убивает патогенные бактерии. Им обеззараживают воздух в складских помещениях пищевых продуктов. Воздухом, обогащенным озоном, пользуются для обесцвечивания полотна, воска, для обработки некоторых вин, табака и пр.

Воздух – это смесь газов, основными компонентами которой являются кислород (20,9% по объему), азот (78,16% по объему) и инертные газы (0,99% по объему). Содержание этих компонентов практически неизменно, поэтому они считаются постоянными. К переменным компонентам воздуха относятся углекислый газ и водяной пар. Пыль и различные газы (SO₂, H₂S, NO₂) являются случайными примесями. Их концентрация зависит от метеорологических и местных условий, времени года, наличия поблизости промышленных предприятий и т.д. Содержание углекислого газа в воздухе в местах, удаленных от промышленных предприятий, выбрасывающих большие его количества в атмосферу, не превышает 0,03%. Вблизи промышленных предприятий и автотранспортных магистралей содержание его в атмосфере значительно выше. Все реакции, характерные для кислорода, протекают и на воздухе, но их скорость меньше из-за разбавления кислорода другими газами. В промышленности воздух используют как сырье для получения кислорода, азота и инертных газов, а жидкий воздух служит также холодильным агентом.