Тема 2 Кисень
• формувати здатності аналізувати, порівнювати, охороняти повітря від забруднення.
– Пригадайте, що вам відомо про повітря, його склад.
Повітря, його склад. Перші спроби вивчення та визначення складу повітря належать А. Лавуазье.
Лавуазье Антуан Лоран (1743— 1794) — французький хімік, один з основоположників сучасної хімії. Пояснив процеси горіння й окиснення речовин, дихання живих організмів за участю кисню, що спростувало існуючу на той час теорію флогістону. Учений був першим, хто встановив хімічний склад води, сульфур (IV) і карбон(ІV) оксидів, сульфатної та нітратної кислот. Керував розробкою нової хімічної номенклатури й склав пертий систематизований перелік назв. Під час хімічних досліджень А. Лавуазьє застосовував методи кількісного аналізу. Його вважають одним із засновників термохімії. Праці вченого сприяли перетворенню хімії на науку, що опирається на факти й точні вимірювання.
Учений провів ряд дослідів, які довели наявність у повітрі кисню та азоту. Для цього він поклав у реторту металічну ртуть і нагрівав упродовж 12 днів (рис. 56). Кінець цієї реторти помістив під дзвін, що був уміщений у посудину зі ртуттю. За тривалого нагрівання в реторті на поверхні ртуті утворилася речовина у вигляді порошку червоного кольору. Водночас під дзвоном рівень ртуті піднявся.
Рис 56. Прилад, яким користувався Л. Лавуазье, вивчаючи склад повітря:
1 — реторта; 2 — дзвін; З — посудина зі ртуттю
Отриманий порошок А. Лавуазье прожарив. Унаслідок реакції він отримав ртуть і газ кисень. Важливим було те, що об’єм газу відповідав об’єму частини повітря, що сполучилася зі ртуттю.
Учений дослідив, що залишається в повітрі, якщо забрати кисень. Він помістив під дзвін запалену свічку, і вона погасла. У повітрі під ковпаком гинули миші. Зважаючи на ці факти, А. Лавуазьє назвав газ, що залишився під ковпаком, азотом, тобто «тим, що не підтримує життя».
Уміст кисню в повітрі вчений довів експериментально. Цей дослід неважко повторити. Під час спалювання фосфору в повітрі під дзвоном рівень води піднімається приблизно на 1 /5 об’єму дзвону. Так А. Лавуазьє довів, що в повітрі кисень становить 1 /5 і азот — за об’ємом.
Майже через століття виявилося, що в повітрі наявна ціла група газів, які с одноатомними, не мають кольору й запаху та хімічно інертні. До них належать: гелій Не, неон Ne, аргон Аr, криптон Кr, ксенон Хе, радон Rn. Їх називають благородними газами.
Унаслідок детального вивчення складу повітря були отримані більш точні результати. Об’ємні частки газів у повітрі становлять: азот — 78 %, кисень — 21 %, благородні гази — 0,93 % і карбон (IV) оксид — 0,03 % (рис. 57, с. 106).
Охорона повітря від забруднення. Як вам уже відомо, кисень підтримує життя на Землі. Кисень необхідний не тільки людині, а й тваринам і рослинам. Тому для підтримання життя на Землі людство мас зберігати чистоту повітря.
Рис. 57. Діаграма складу повітря
Забруднення повітря здійснюється як природним шляхом, так і внаслідок господарської діяльності людини.
До природних чинників належать: виверження вулканів і поширення вулканічного пилу в повітря, урагани й бурі, що розносять пил, пори й пилок рослин тощо.
Чинниками господарської діяльності людини є спалювання сміття, сухого листя, трави восени. У повітрі нагромаджуються домішки газів, що є викидами заводів, фабрик, вугле-, нафто- й металодобувних підприємств тощо. Це: сульфур(IV) оксид SO2, карбон(ІІ) оксид СО, нітроген (IV) оксид NO2, метай СH4, амоніак NH3. Недбале поводження з атомною зброєю та мирним атомом спричинює забруднення повітря радіоактивними речовинами (рис. 58).
Збереження чистоти повітря — справа не тільки України, а й міжнародної спільноти.
Рис. 58. Аварія на ЧAЕС
Оксиген — хімічний елемент. Назва Оксиген означає «той, що породжує кислоти». Цей елемент є найпоширенішим у природі. Він міститься в літосфері (47 % за масою), атмосфері (23 % за масою) і гідросфері (89 % за масою). Оксиген входить до складу води, порід і мінералів, багатьох неорганічних та органічних речовин.
– Пригадайте й запишіть хімічний символ Оксигену. Знайдіть цей елемент у періодичній системі. Охарактеризуйте Оксиген за даними клітинки періодичної системи.
Кисень. Фізичні властивості кисню. Кисень с простою речовиною хімічного елемента Оксигену.
– Пригадайте, що вам відомо про кисень з вашого життєвого досвіду, з інших предметів.
Ще у VIII ст. китайський учений Мао Хоа виявив у складі повітря кисень — газ, що підтримує дихання й горіння. Через 10 століть цей газ був знову відкритий двома європейськими вченими — К. Шеєле (1771 р.) і Дж. Прістлі (1774 p.). Однак в історії відкриття кисню належить Дж. Прістлі, бо К. Шеєле опублікував своє відкриття пізніше (1777 p.).
Шеєле Карл Вільгельм (1742-1786) — шведський хімік. Не маючи засобів для вищої освіти, він займався самоосвітою та досягнув великих успіхів у хімічному експерименті. Робота експериментатора зробила його популярним у всьому світі.
Він першим визначив склад повітря, хоча ні кисень, ні азот на той час не були відкриті. Запропонував спосіб добування фосфору, виділив у чистому вигляді манган, хлор і барій оксид, а також сечову, молочну й синильну кислоти. Довів шкідливість для людини вдихання хлору. Ми вживаємо деревне вугілля під час отруєння, а здатність вугілля вбирати шкідливі гази була відкрита К. Шеєле. Відкриття молібдену й вольфраму теж належить цьому видатному вченому.
Прістлі Джозеф (1733-1804) — англійський учений, натураліст, філософ, громадський діяч. Відкрив кисень і вуглекислий газ. Добув кисень розкладом меркурій (ІІ) оксиду та дослідив його властивості. Дослідження Дж. Прістлі присвячені вивченню газів. Розчиняючи вуглекислий газ у воді, він отримав відому вам газовану воду. Досліджуючи ріст і живлення рослин, виявив, що рослини поглинають з повітря вуглекислий газ і виділяють кисень. Так було відкрито фотосинтез. Добув нітроген(ІІ) оксид, гідроген хлорид, амоніак; пояснив перетворення нітроген(ІІ) оксиду на нітроген(ІV) оксид. Знав 9 іноземних мов.
Молекула кисню складається з двох атомів. Його хімічна формула — О2. За нормальних умов (температура 0 °С, тиск 101,3 кПа) кисень перебуває в газуватому стані, не мас смаку, запаху, трохи важчий за повітря. Маса повітря об’ємом 1 л (н. у.) становить 1,29 г, а маса такого самого об’єму кисню — 1,43 г.
– Обчисліть відносну молекулярну масу кисню. У скільки разів кисень важчий за повітря?
Кисень є малорозчинним у воді: у 1 л можна розчинити тільки 0,04 г кисню. За температури -183 °С кисень перетворюється на рухливу рідину блакитного кольору. За подальшого охолодження (до -219 °С) він стає твердою речовиною синього кольору, дуже подібною до кристалів льоду.
Фізіологічна дія. Кисень бере активну участь у процесах дихання всіх живих організмів. Через легені людини кисень потрапляє в кров, яка розносить його до всіх органів і клітин. На клітинному рівні відбуваються реакції окиснення з виділенням теплоти й вуглекислого газу.
Отже, для людини дихання — життєво важливий процес. Тому чисте повітря, яке містить достатню кількість кисню, забезпечує життєдіяльність організму: підтримує
постійну температуру тіла, роботу м’язів, хороший настрій і здоровий життєвий тонус. Це і є ваша особистісна цінність здобутих знань про повітря, Оксиген і кисень.
• Повітря — природна суміш газів, до складу якої входять за об’ємом: азот (78 %), кисень (21 %), благородні гази (0,93 %) і карбон(ІV) оксид (0,03 %).
• Оксиген — хімічний елемент, порядковий номер якого — 8, символ — О, відносна атомна маса — 16, у ядрі атома міститься 8 протонів і 8 нейтронів. Навколо ядра атома рухаються 8 електронів.
• Кисень — проста газувата речовина, утворена елементом Оксигеном. Хімічна формула — О2, відносна молекулярна маса — 32. Малорозчинний у воді, за певних умов перетворюється на рідину блакитного кольору, а остання — на кристали синього кольору, подібні до льоду. Не має запаху й смаку.
• Кисень є життєво важливою для живих організмів речовиною. За його участю відбувається процес дихання, обмін речовин.
ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ
1. Охарактеризуйте склад повітря.
2. Поясніть, яке значення має чисте повітря для живих організмів і здоров’я людини.
3. Охарактеризуйте елемент Оксиген, використавши періодичну систему елементів.
4. Охарактеризуйте кисень, його фізичні властивості, поширення в природі.
5. Поясніть фізіологічну дію кисню на організм.
6. Запропонуйте способи діяльності людини, що запобігають забрудненню повітря.
В історії хімічної науки кисень було відкрито тричі: К. Шеєле в 1771 p., А. Лавуазьє та Дж. Прістлі —у 1774 р. Між іншим, Дж. Прістлі провів такі самі дослідження, як і А. Лавуазьє.
§ 15. Повітря, Оксиген, кисень
Навколо нашої планети існує газувата оболонка, яку називають атмосферою (мал. 77). Усі ми живемо на «дні» цього газуватого океану. Приземний шар атмосфери ми називаємо повітрям. Повітря — це складна суміш близько 15 різних газів. Основними компонентами є азот N2 і кисень О2. Уміст азоту становить 78 % від об’єму повітря, а кисню — 21 %. Крім того, у повітрі міститься невелика кількість аргону (0,9 %), вуглекислого газу (0,03 %), озону, водяної пари й інших газів (мал. 78). Об’ємні частки кисню й азоту в повітрі визначив А. Лавуазьє у 1774 році.
Мал. 77. Атмосфера Землі — це порівняно тонкий газуватий шар навколо нашої планети. Приблизно п’яту частину нижніх шарів атмосфери становить кисень
Мал. 78. Склад сухого повітря поблизу поверхні Землі
Склад повітря дещо змінюється залежно від місцевості, погодних умов і висоти над рівнем моря. Наприклад, водяної пари в повітрі у вологу та теплу погоду міститься більше, а в суху та холодну — менше. Вуглекислий газ утворюється в результаті горіння та дихання, тому в повітрі великих міст його більше, ніж над лісами та морями. Уміст азоту й кисню у різних місцевостях майже сталий.
У зачинених і непровітрюваних приміщеннях може накопичуватися багато вуглекислого газу. Повітря, що містить понад 0,1 % вуглекислого газу, негативно діє на людину. Тому слід регулярно провітрювати приміщення.
Кисень та озон
Головний компонент повітря — це кисень. Він підтримує дихання, завдяки чому на Землі можуть жити тварини, та горіння, без якого вже неможливе наше життя. У молекулі кисню два атоми Оксигену сполучені один з одним двома хімічними зв’язками (мал. 79а). Графічна формула кисню має такий вигляд:
Як видно з неї, валентність атомів Оксигену і в простій речовині дорівнює II.
Найбільше кисню міститься в нижніх шарах атмосфери (тропосфері). При підйомі вище над землею вміст кисню потроху зменшується. Саме тому при подорожі високо в горах стає важче дихати. У верхніх, дуже розріджених шарах атмосфери кисню майже немає.
Хімічний елемент Оксиген утворює ще одну просту речовину — озон О3 (мал. 79б). Озон також наявний в атмосфері, але він переважно перебуває на висоті 30-50 км, утворюючи так званий озоновий шар. Озоновий шар захищає нас від шкідливого ультрафіолетового випромінювання Сонця.
Мал. 79. Формули і моделі молекул: а — кисню; б — озону
Фізичні властивості кисню
За звичайних умов кисень — газ без кольору, смаку та запаху. Товстий шар кисню має ясно-блакитне забарвлення.
Кисень малорозчинний у воді — в 1 л води при температурі 20 °С розчиняється 31 мл кисню (0,004 % за масою). Проте цієї кількості достатньо для дихання риб, що живуть у водоймах. Газуватий кисень трохи важчий за повітря: 1 л повітря при температурі 0 °С і звичайному тиску важить 1,29 г, а 1 л кисню — 1,43 г.
Рідкий кисень — це рухома, блакитна рідина, яка кипить при -183 °С (мал. 80). Твердий кисень — це сині кристали, які плавляться при ще нижчій температурі — -218,7 °С.
Мал. 80. Рідкий кисень має блакитне забарвлення
Кисень — парамагнітна речовина, тобто в рідкому і твердому станах він притягується магнітом (мал. 81, с. 110).
Мал. 81. Рідкий кисень притягується магнітом
Часто можна почути, що блакитний колір денного неба пов’язаний із забарвленням кисню. Проте це не зовсім відповідає дійсності. Колір кисню робить свій внесок у забарвлення неба, проте синій колір пов’язаний здебільшого зі складнішим явищем — розсіюванням сонячного світла в повітрі.
Відкриття кисню
Кисень був відкритий у 1774 році Дж. Прістлі. Він досліджував газоподібні речовини, що утворюються при розжарюванні різних речовин сфокусованими за допомогою лінзи сонячними променями (мал. 82). За такого впливу, зокрема на меркурій(ІІ) оксид, виділяється кисень.
Мал. 82. Для добування кисню Прістлі прожарював меркурій(ІІ) оксид НgO у пробірці, наповненій ртуттю. Утворений кисень витискував ртуть і збирався над шаром ртуті
Оскільки в чистому кисні легше дихалося, то відкритий газ Прістлі назвав «покращеним повітрям». Незалежно від Прістлі приблизно в той же час кисень був відкритий і К. Шеєле. Через здатність кисню підтримувати горіння Шеєле назвав його «вогненним повітрям». Шеєле добув кисень раніше, ніж Прістлі, але опублікував свої результати пізніше. Тому першовідкривачем кисню вважають Дж. Прістлі.
Історія відкриття кисню цікаво переплітається з історією появи підводних човнів. Є відомості, що кисень був відкритий ще в XVII столітті голландським ученим К. Дреббелем. Він використовував цей газ для дихання в підводному човні власної конструкції. Але це відкриття належало до військової техніки й трималося в секреті, тому не вплинуло на подальші дослідження.
Джозеф Прістлі (1733-1804)
Англійський хімік, філософ і громадський діяч. Був священнослужителем, а у вільний час займався наукою, володів дев’ятьма мовами. Один із провідних учених у галузі пневмохімії (хімії газів). У 1774 році відкрив кисень. Окрім кисню, вперше добув азот, хлороводень, флуороводень, амоніак, сірчистий газ, вуглекислий газ. Він був першим, хто спеціально розчинив вуглекислий газ у воді, після чого вода стала напрочуд смачною. Так була винайдена газована (содова) вода. За цей винахід йому було присуджено вищу нагороду Лондонського королівського товариства — медаль Коплея. Содова вода стала першим товарним продуктом хімії газів.
Оксиген у природі
Оксиген — один із найважливіших елементів у природі. Крім простих речовин, він також утворює сполуки майже зі всіма хімічними елементами. Виняток становлять тільки інертні елементи — Гелій, Неон, Аргон.
На поверхні нашої планети Оксиген є найпоширенішим елементом (мал. 83, с. 112). У складі сполук з іншими елементами він становить 49 % від маси земної кори. Оксиген міститься у складі найважливіших мінералів літосфери (червоний залізняк, кварц, гіпс, польовий шпат тощо) і речовин, що зумовлюють родючість ґрунтів (гумус і солі).
Мал. 83. Поширеність Оксигену в природі
Карл Вільгельм Шеєле (1742-1786)
Славетний шведський фармацевт і хімік-самоук. У 15 років він став учнем в аптеці в Ґетеборзі, потім працював у багатьох аптеках Швеції. Незважаючи на неодноразові пропозиції посісти посаду професора, уважав за краще залишитися аптекарем. Уже в 32 роки Шеєле був удостоєний звання члена Стокгольмської академії наук. Сучасники про нього говорили: «Аптекар Шеєле не міг доторкнутися до якого-небудь тіла без того, щоб не зробити відкриття». Шеєле відкрив сім хімічних елементів (О, F, Сl, Мn, Мо, Ва, W). Він уперше виділив багато органічних кислот: щавлеву, лимонну, винну, молочну та інші. Відкрив велику кількість цінних неорганічних сполук.
Найпоширеніша сполука Оксигену — це вода Н2O. Величезні скупчення води — річки, моря й океани — утворюють гідросферу Землі. З урахуванням розчинених речовин гідросфера містить 86-89 % Оксигену за масою.
Оксиген міститься у складі величезної кількості складних речовин: оксидів, кислот, лугів, солей та інших. Живі організми також містять велику кількість Оксигену. У складі різних сполук Оксиген становить близько 60 % маси тіла людини.
У Періодичній системі Оксиген має порядковий номер 8, відповідно заряд ядра атома Оксигену +8 (мал. 84). Хімічний символ елемента — О, відносна атомна маса 16 — це означає, що атом Оксигену в 16 разів важчий за 1/12 маси атома Карбону (мал. 85). У хімічних сполуках Оксиген завжди виявляє валентність II, незважаючи на те, що він розташований у VI групі Періодичної системи.
Мал. 84. Модель атома Оксигену
Мал. 85. Із Періодичної системи можна дізнатися про порядковий номер Оксигену та його відносну атомну масу
Оксиген є найактивнішим елементом у природі після Флуору. Завдяки цьому він утворює сполуки майже з усіма елементами.
Поняття про оксиди
Сполуки, які окрім Оксигену містять лише один інший хімічний елемент, називають оксидами.
Оксиди — це бінарні сполуки хімічних елементів з Оксигеном.
Щоб розрізняти оксиди, їм присвоюють назви. Назви оксидів складаються з двох слів: назви хімічного елемента (у називному відмінку) та слова «оксид».
Na2O — натрій оксид;
Якщо оксид утворено елементом зі змінною валентністю, то також вказують його валентність:
СuО — купрум(ІІ) оксид; Сu2O — купрум(І) оксид.
Формули оксидів складають за валентністю елементів, що їх утворюють, як було пояснено в § 13.
Цікаво, що.
Своєю назвою елемент Оксиген завдячує А. Лавуазьє. Згідно з теорією Лавуазьє, Оксиген був основним функціональним компонентом кислот, відтак отримав свою назву Охуgenium — «той, що народжує кислоти» (від грец. oxys — кислий та genos — народження).
Висновки:
1. Оксиген — один із найпоширеніших і найважливіших елементів у природі. Він утворює сполуки майже зі всіма відомими елементами. Найбільше Оксигену міститься у гідросфері, також значний вміст Оксигену в літосфері та атмосфері.
2. Оксиген у сполуках завжди двовалентний, його відносна атомна маса дорівнює 16.
3. Кисень і озон — прості речовини, утворені Оксигеном. Найпоширеніша серед них — кисень, що міститься в атмосфері Землі. Кисень — безбарвний газ, трохи важчий за повітря і малорозчинний у воді. Рідкий і твердий кисень має блакитне забарвлення і притягується магнітом.
Контрольні запитання
1. Опишіть фізичні властивості кисню.
2. Опишіть поширеність кисню й озону на Землі.
3. Чи є хімічною реакцією перетворення рідкого кисню на газуватий? А на твердий? Відповідь поясніть.
4. Яка поширеність Оксигену в різних оболонках Землі?
5. Які сполуки Оксигену є у складі земної кори?
6. Наведіть приклади найпоширеніших і найважливіших сполук Оксигену, що трапляються в природі.
7. Які речовини називають оксидами?
Завдання для засвоєння матеріалу
1. Обчисліть відносні молекулярні маси кисню й озону.
2. Обчисліть, у скільки разів кисень важчий за повітря.
3. Навіщо працівники рибних господарств роблять узимку ополонки на льоду річок і озер?
4. Як ви вважаєте, чи можна виділити чистий кисень з повітря дією магніту, якщо інші гази повітря магнітом не притягуються?
5. Уявіть, що перед вами дві однакові закриті колби, наповнені за однакових умов повітрям і киснем. Як можна визначити, у якій із колб міститься кисень? Чи можна це виявити, не відкриваючи колби?
6. З підвищенням температури розчинність газів у воді зменшується. Чи можна заливати в акваріум для риб прокип’ячену охолоджену воду?
7. Використовуючи наведені в параграфі дані, обчисліть: а) масу кисню об’ємом 10 л; б) об’єм кисню масою 10 г.
8. Обчисліть, у скільки разів атом Оксигену важчий за атом: а) Гідрогену; б) Карбону; в) Сульфуру.
9. Складіть формули оксидів: магній оксид, ферум(ІІ) оксид, фосфор(V) оксид, плюмбум(IV) оксид, купрум(І) оксид, хром(ІІІ) оксид.
10. Визначте валентності елементів у наведених оксидах, назвіть ці оксиди: К2O, CaO, Р2O3, NO2, I2O5, SO3, Сl2O7?.
11. Оксиген міститься у мінералах: гематиті Fe2O3, кварці SiO2, піролюзиті МnO2. У якому з них масова частка Оксигену найбільша?
12 * . Відомо, що максимальний уміст кисню спостерігається в нижніх шарах атмосфери. У міру віддалення від поверхні Землі його вміст зменшується, а у верхніх шарах атмосфери кисню майже немає. Чим це можна пояснити?
Лінгвістична задача
Оксос у перекладі з грецької мови означає «кислий», гідро — «вода», а генеа — «походження». Що означають назви хімічних елементів Оксиген і Гідроген?