Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 19. Оксиген. Кисень і озон

Пригадайте: що таке алотропні модифікації (за § 15).

Оксиген

Оксиген — елемент 2 періоду, VIA групи. Вільних орбіталей на другому енергетичному рівні в атомів Оксигену немає, тому розпарування електронів неможливе, і Оксиген завжди двовалентний.

Електронегативність Оксигену найбільша після Флуору, тому він забирає електрони в атомів усіх інших елементів. Переважно забирає два електрони, тому найпоширеніший ступінь окиснення Оксигену -2:

O0 1s22s22p4 + 2е- → O-2 1s22s22p6

У пероксидах ступінь окиснення Оксигену -1, наприклад у гідроген пероксиді H2O2. І тільки з Флуором Оксиген утворює сполуки з позитивним ступенем окиснення: OF2, O2F2.

Алотропні модифікації Оксигену

Найпоширенішими алотропними модифікаціями Оксигену є кисень O2 та озон O3. Утім, учені виявили вкрай нестійкі молекули O4, а 2006 року з'ясували, що за тиску 10 ГПа утворюються кристали червоного кисню з молекулами O8.

Кисень:

• за звичайних умов газ без кольору, смаку та запаху, рідкий кисень — рухома блідо-блакитна рідина, твердий — сині кристали;

• розчинність у воді: за 0 °С в 1 л води розчиняється 4,9 мл кисню, за 20 °С — 3,1 мл;

• густина за нормальних умов 1,43 г/л;

• tкип. = -183 °С, tпл. = -219 °С;

• парамагнітний: рідкий та твердий кисень притягуються магнітом.

Озон:

• блакитний газ із різким характерним «металічним» запахом, рідкий озон має темно-синій колір, твердий — чорно-фіолетовий;

• розчинність у воді: за 0 °С в 1 л води розчиняється 49,4 мл озону, за 25 °С — 45,4 мл;

• густина за нормальних умов 2,14 г/л;

• tкип. = -112 °С tпл. = -197 °С

• виявляє слабкі парамагнітні властивості.

Хімічні властивості кисню та озону

Кисень — хімічно активна речовина, сильний окисник. За звичайних умов, за нагрівання та за наявності каталізатора він взаємодіє з усіма простими речовинами, окрім інертних газів (серед неметалів) та золота (серед металів). Багато реакцій із киснем є горінням, тобто супроводжуються полум'ям. У реакціях із неметалами утворюються несолетворні або кислотні оксиди:

У реакціях кисню з металами утворюються:

• пероксиди (із лужними металами): 2Na + O2 = Na2O2;

• основні оксиди: 2Mg + O2 = 2MgO;

• амфотерні оксиди: 2Zn + O2 = 2ZnO.

Поширеність та біологічне значення кисню

Кисень з'явився на Землі близько 3 млрд років тому внаслідок появи процесу фотосинтезу в мікроорганізмах в океані (мал. 19.1). Сьогодні концентрація кисню в повітрі підтримується на сталому рівні (близько 21 %). Киснем дихають рослини й тварини, як водні, так і наземні, і саме в цьому полягає його головне біологічне значення. Утім, вдихання чистого кисню може спричинити отруєння. Приміром, вдихання 90 % кисню протягом трьох діб спричиняє нудоту, судоми, пневмонію.

Мал. 19.1. До сьогодні більшість кисню, що утворюється на землі, є продуктом фотосинтезу в океанському фітопланктоні

Поширеність озону

Озон небезпечний для життя. Він виявляє загальнотоксичну, канцерогенну й мутагенну дію. Гранично допустима концентрація (ГДК) озону в повітрі становить 0,1 мг/м3. Але озон майже відсутній у нижніх шарах атмосфери (мал. 19.2).

Мал. 19.2. Уміст озону в атмосфері на різних висотах

Озон в атмосфері утворюється під час грози (у мізерних кількостях) (мал. 19.3, а) або за наявності оксидів Нітрогену з викидів автотранспорту.

Також озон утворюється під час роботи приладів, у яких використовують йонізуюче випромінювання, зокрема лазерних принтерів та фотокопіювальних апаратів (мал. 19.3, б). Перебувати поблизу таких працюючих приладів тривалий час небезпечно для здоров'я. Кращий «індикатор» для визначення наявності озону — це ніс: як тільки ви починаєте відчувати запах озону, необхідно негайно провітрити приміщення.

Мал. 19.3. Озон утворюється в повітрі під час грози ( а ) та під час роботи приладів (б)

Застосування озону

Біологічна дія озону зумовлена його сильними окисними властивостями: він окиснює біологічно активні речовини, що пригнічує життєдіяльність бактеріальних клітин. Навіть за низького вмісту в повітрі озон убиває хвороботворні мікроорганізми, тому його використовують для обробки овочесховищ, холодильних камер, дезінфекції приміщень у лікарнях (мал. 19.4), стерилізації посуду. На деяких водоочисних станціях, перед подачею води у водогін, замість хлору крізь воду пропускають потужний струмінь збагаченого озоном повітря. Озонування води набагато безпечніше за хлорування, але значно дорожче, тому поки що не дуже поширене.

Мал. 19.4. Кварцову лампу використовують для дезінфекції приміщень. Ця лампа — джерело ультрафіолету, під дією якого в повітрі утворюється озон, що вбиває бактерії. Слід пам'ятати, що ультрафіолетове світло від цієї лампи шкідливе для очей!

Озоновий шар. Біологічне значення озону

Життя на Землі без озону було б неможливим. Озон в атмосфері захищає біосферу Землі від згубного для всього живого ультрафіолетового випромінювання Сонця.

На висоті 15-20 км та 55-60 км атмосферний кисень поглинає ультрафіолетове випромінювання дуже небезпечного для життя діапазону, молекули кисню розпадаються на атоми, й утворюються молекули озону:

Молекули озону також поглинають ультрафіолет і розпадаються:

У такий спосіб молекули кисню й озону безперервно перетворюються одна на одну й разом із тим захищають живі організми на поверхні планети від ультрафіолету (мал. 19.5). Завдяки цим процесам до поверхні Землі потрапляє лише так званий «м'який ультрафіолет» у кількості десь 1 % від того, що йде від Сонця до Землі. Саме через «м'який» ультрафіолет виникає засмага, можуть статися сонячні опіки, а за дуже тривалого перебування на відкритому сонці навіть пошкодження шкіри. Утім, знищувальної дії він не має. Шар атмосфери, у якому відбувається утворення озону в розглянутий спосіб, називають озоновим шаром.

Мал. 19.5. Озоновий шар у стратосфері захищає живі організми на Землі від шкідливого ультрафіолетового випромінювання

Лауреати Нобелівської премії 1995 р. за роботи з атмосферної хімії, особливо в частині процесів утворення та руйнування озонового шару

Природну рівновагу кисень-озон легко зруйнувати. Через людську діяльність у повітря потрапляють нітроген(ІІ) оксид, флуорохлорофреони та флуоробромофреони (їх використовують у холодильниках і кондиціонерах). Ці речовини піднімаються на висоту озонового шару, де прискорюють руйнування озону та вповільнюють його утворення. Унаслідок цього може зменшитися вміст озону в озоновому шарі, що негативно вплине на захист Землі від небезпечного ультрафіолету.

Ділянку атмосфери, у якій концентрація озону менша за нормальну, називають озоновою дірою. Велика озонова діра утворюється в серпні-вересні над Південним полюсом (мал. 19.6), але такі діри можуть з'явитися і над іншими ділянками Землі. 1989 року набув чинності так званий «Монреальський протокол», підписаний усіма країнами-членами ООН. Згідно з цим протоколом, країни мають за певний період відмовитися від виробництва речовин, що пошкоджують озоновий шар. Завдяки цьому сьогодні їх виробництво порівняно з 1989 роком знизилося вдвічі. Але шкідливі для озонового шару речовини доволі стійкі й можуть існувати в атмосфері десятки років. За прогнозами вчених, у разі повного виконання вимог Монреальського протоколу озонові діри зникнуть приблизно через 40 років.

Мал. 19.6. Озонова діра над Антарктидою (синім позначено ділянку зі зменшеним умістом озону). Її розмір та вміст озону коливаються залежно від пори року: від повної відсутності до доволі критичних розмірів. 2011 року вона «зачепила» південь Австралії, що спричинило суттєву зміну погоди — засуху

Ключова ідея

Оксиген утворює дві дуже важливі для всього живого алотропні модифікації.

Контрольні запитання

263. Порівняйте фізичні та хімічні властивості кисню й озону. Наведіть відповідні приклади.

264. У результаті яких процесів може утворюватися озон?

265. Що таке озоновий шар і яке значення він має для життя на землі?

Завдання для засвоєння матеріалу

266. З огляду на будову молекул О2 та О3 поясніть відмінності в розчинності кисню та озону у воді.

267. Відомо, що максимальний уміст кисню спостерігається в нижніх шарах атмосфери. У міру віддалення від поверхні землі його вміст зменшується, а у верхніх шарах атмосфери кисень практично відсутній. Чим це можна пояснити?

268. Озон важчий за кисень, але в атмосфері озон перебуває на більшій висоті за кисень. На вашу думку, чим це можна пояснити?

269. Як ви вважаєте, чому підвищення вмісту озону в нижніх шарах атмосфери (тропосфері) є дуже небезпечним для людського організму, а у верхніх шарах атмосфери (стратосфері), навпаки, має позитивне значення?

Комплексні завдання

270. Обчисліть масову частку кисню та озону в їх насичених розчинах за н. у.

271. Обчисліть густину озону та повітря за нормальних умов. Порівняйте густину кисню та озону з густиною повітря.

272. Кисень об'ємом 4,368 л (н. у.) пропустили через озонатор. Обчисліть масу добутого озону, якщо відносний вихід продукту реакції від теоретично можливого становить 35 %.

273. Магній масою 6 г помістили в колбу об'ємом 10 л, після чого колбу заповнили чистим киснем. Уміст колби прожарили. Обчисліть масу утвореного оксиду за умови, що колбу заповнювали киснем за нормальних умов.

Завдання з розвитку критичного мислення

274. Як ви вважаєте, чи можна виділити чистий кисень із повітря дією магніту, якщо інші гази повітря не взаємодіють із магнітним полем?

275. Уявіть, що перед вами дві однакові закриті колби, наповнені за однакових умов озоном і киснем. Як можна визначити, у якій із колб міститься кисень? Чи можна це дізнатися, не відкриваючи колби?

276. Кожна молекула гемоглобіну Hb містить по чотири йони Феруму(2+) і в середньому приєднує по три молекули кисню: Нb(водн.) + 3О2(г.) ⇄ Нb(О2)3(водн.). Використовуючи поняття про хімічну рівновагу, обговоріть виникнення гірської хвороби.

277. Поясніть уплив різних речовин, що становлять загрозу для озонового шару, використовуючи поняття про хімічну рівновагу.

278. В одному з джерел було написано, що оксиди Нітрогену спричиняють руйнування озонового шару внаслідок реакції 2NO + O3 = N2O + 2O2. Чи є ця інформація достовірною? Відповідь обґрунтуйте.

Міні-проекти

279. Схарактеризуйте спосіб одержання чистого кисню та скраплення кисню за фантастичним романом О. Бєляєва «Продавець повітря» або за однойменною його екранізацією. Висловіть свою думку щодо відповідності описаних подій сучасним науковим уявленням.

280. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про процеси, які спричиняють утворення або руйнування озонового шару землі. Чому існуюча озонова діра утворилася саме над Антарктидою? Чи можуть такі діри існувати в інших місцях?