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.

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.

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.

Когда горение начинается и прекращается

Для обычного горения вещества в воздухе должны сочетаться доступное горючее, окислитель — обычно O₂ — и условия достаточного нагрева. Эту упрощённую связь называют треугольником горения. Кислород поддерживает процесс, но сам по этой причине не становится топливом. После зажигания теплота реакции может поддерживать нужную температуру: держать рядом внешний источник нагрева всё время не обязательно.

В модели обычного горения прекращение подачи горючего, недостаток окислителя или охлаждение ниже условий устойчивого протекания реакции могут прекратить процесс. Это объяснение условий реакции, а не универсальная инструкция тушения: подходящее средство зависит от вещества и обстановки.

Образование пламени связано и с тем, как горючее соприкасается с окислителем. Поэтому наличие воздуха рядом с куском вещества не доказывает, что он должен немедленно загореться. Сравнивать горение разных образцов нужно при известных условиях; тепловыделение, подвод тепла и его потери имеют значение.

Разбор готовых данных: сколько кислорода было в воздухе

Это условная задача на обработку предоставленных измерений, не инструкция проведения опыта. Дано 100 мл сухой газовой смеси. В модели из неё избирательно и полностью удалили O₂, связав его в твёрдый продукт; прочие газы остались в газовой фазе. После приведения к тем же температуре и давлению осталось 79 мл. Утечки и появление иных газов исключены.

V(O₂) = 100 − 79 = 21 мл;   φ(O₂) = 21/100 = 0,21 = 21 %.

Вывод относится к заданной смеси и условиям модели. Для сухого атмосферного воздуха это согласуется со школьной оценкой «около одной пятой». Если начальная и конечная температуры или давления различаются, простое вычитание объёмов не определяет исходную долю кислорода. При наличии водяного пара нужно учитывать его вклад; при утечке, поглощении другого газа или неполном удалении O₂ меняется смысл измеренной разности.

Погасшая свеча под колпаком не доказывает, что кислород израсходован полностью. Состав газа меняется также из-за продуктов горения; влияют охлаждение и растворение газов. Поэтому изменение уровня жидкости нельзя без проверки условий объявлять точным измерением доли O₂.

Четыре вопроса об условиях и данных

1. Почему присутствие O₂ не означает, что кислород является горючим?
2. Почему устойчивое пламя может сохраняться после удаления спички?
3. В той же селективной модели из 200 мл смеси осталось 158 мл при одинаковых T и p. Найдите долю удалённого O₂.
4. Газ после реакции измерили горячим, а исходный — холодным. Можно ли разность объёмов целиком приписать удалению O₂? Доказывает ли само угасание свечи отсутствие кислорода?

Опоры: OSHA: условия возникновения и поддержания огня; RSC: ограничения опыта со свечой. Для задач и ответов выше заданы собственные численные условия.

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 A_r(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:

n_атомов(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 A_r(Mg) = 24, A_r(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 A_r(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; n_атомов(O) = 2 · 0,20 = 0,40 моль.

Связанные темы

Простые вещества и аллотропия, оксиды, водород, вода.

Продолжить изучение

Почему кислород можно собирать над водой и чем влажный газ отличается от сухого? Сравните способы собирания и проверьте себя на схемах приёмников. Получение и собирание газов: выбор способа и чтение схем.

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.

Выбрать другой маршрут курса