Химические свойства кислорода

Атом кислорода в основном состоянии имеет конфигурацию 2s²p⁴ с двумя неспаренными р-электронами и двумя неподеленными парами. По своей электроотрицательное™ (3,5) кислород занимает второе место после фтора. Это означает, что во всех своих соединениях (кроме фторидов) кислород может находиться только в состоянии с отрицательной степенью окисления.

На Земле кислород — самый распространенный элемент: на его долю приходится почти половина (49,5%) общей массы земной коры. Считается, что в процессе образования планеты Земля кислород был полностью связан в соединения. Наличие сто в атмосфере обусловлено жизнедеятельностью растений — эндотермической реакцией фотосинтеза, протекающей за счет энергии солнечного излучения:

Существуют две аллотропные модификации простого вещества: термодинамически устойчивая форма 0₂ — дикислород, молекулярный кислород или просто кислород, и 0₃ — трикислород или озон. Электронное строение молекулы 0₂ рассмотрено в параграфе 3.4. Парамагнитная молекула имеет два неспаренных электрона, порядок связи в ней равен двум, что определяет большую прочность связи, равную 494 кДж/моль. Кислород — практически бесцветный газ без запаха и вкуса. Межмолекулярные связи в кислороде слабы, и он конденсируется в голубую жидкость лишь при -183°С (Т_т = -219°С).

Получают чистый кислород в основном фракционной перегонкой жидкого воздуха и хранят в стальных баллонах иод давлением 15 МПа. В лабораторных условиях небольшие количества очень чистого кислорода получают термическим разложением некоторых солей:

Молекула озона имеет уголковую конфигурацию:

Длина связей в молекуле ближе к длине двойной связи 0 = 0(0,121 нм), чем одинарной —0—0— (0,149 нм), что свидетельствует о неравноценности центрального и концевых атомов и позволяет приписать центральному атому степень окисления +4. Озон термодинамически неустойчив:

В природе он образуется при грозовых разрядах и за счет фотохимических реакций, идущих под действием ультрафиолетового излучения Солнца. В результате в верхних слоях атмосферы существует область с повышенным содержанием озона — озоновый слой, который имеет исключительно важное экологическое значение (см. параграф 39.3).

Получают озон действием тихого электрического разряда на сухой кислород. Озон является очень сильным окислителем: в его атмосфере самовоспламеняются многие органические вещества, он легко окисляет медь, ртуть, серебро и превращает сульфиды в сульфаты:

При малых концентрациях (2 мкг/л вызывает серьезные отравления.

Наличие в атоме кислорода двух неспаренных электронов позволяет ему образовывать две ковалентные связи: кратные с одним партнером, например S=0, в молекулах S0₂ и S0₃ (см. параграф 21.3) или одинарные с двумя партнерами, например Р—О—Р в молекулах Р₄0₆ или Р₄О₁₀ (см. параграф 22.3). Хотя в обоих случаях степень окисления кислорода одна и та же (-2), состояния его различны: в первом случае координационное число равно единице, во втором — двум.

Если атом кислорода выступает в роли основания Льюиса, его координационное число может быть повышено до трех. Наиболее важным из продуктов такого взаимодействия является ион гидроксопия, получающийся при взаимодействии кислорода воды с протоном:

В твердых соединениях с такими элементами, которые легко образуют небольшие по размеру катионы, кислород существует в виде двухзарядного аниона О². Это, например, оксиды лития Li₂0, магния MgO, алюминия А1₂О_э.

Поскольку связь в молекуле 0₂ кратная, возможно существование соединений, в которых одна из связей 0—0 сохраняется. Эта так называемая пероксидная группировка существует в пероксиде водорода Н₂0₂, пероксиде натрия Na._;O_v и целом ряде других соединений.

При ионизации молекулы 0₂ возникают достаточно стабильные ионы, которым соответствуют хорошо изученные соединения. Ниже показаны распределение электронов на л-разрыхляющих МО, порядок связи и ее энергия для четырех частиц: 0₂, 0₂, 0₂, 0₂ (заселенность остальных МО во всех частицах одинаковая).

Как очевидно из приведенных данных, удаление электрона из молекулы 0₂ упрочняет связь, а присоединение — ослабляет.

Реакционная способность кислорода сильно зависит от температуры. При стандартных условиях из-за большой энергии связи 0=0 сухой кислород кинетически инертен и практически не взаимодействует с другими веществами. Вода, даже в виде следов, катализирует многие реакции, в частности реакции окисления металлов.

При нагревании уже до 200—400°С кислород активно реагирует с большинством химических элементов и со многими веществами, способными окисляться. Реакции с участием кислорода, как правило, экзотермичны и во многих случаях протекают в режиме горения — самоподдерживающегося процесса, сопровождающегося выделением теплоты и света в форме пламени.

Например, в кислороде сгорают фосфор, углерод, железо и т. д.:

В некоторых случаях (ценные реакции, см. параграф 11.4) скорость взаимодействия так велика, что происходит взрыв. Например, со взрывом реагируют смеси кислорода с водородом, метаном, оксидом углерода (Н):

Взрывоопасны смеси воздуха с угольной пылью, с мукой и с другими горючими мелкодисперсными материалами.

В земных условиях именно взаимодействие с атмосферным кислородом того или иного вещества определяет возможность его существования, использования, хранения. Так, например, триметилалюминий А1(СН₃)₃ самовозгорается на воздухе, и его существование в контакте с воздухом невозможно; углеводороды не самовозгораются, но горят на воздухе и могут быть использованы как источник энергии; серебро и золото не реагируют с кислородом и потому встречаются в природе в самородном состоянии, но многие металлы (щелочные, щелочноземельные, лантаноиды) быстро окисляются и могут храниться только без доступа воздуха.