Воздух и кислород. Состав воздуха, получение и свойства кислорода

Воздух — это естественная однородная смесь газов. Сухой воздух вблизи поверхности Земли имеет следующий постоянный объемный состав:

• Азот (N₂) — 78.08% по объему (газ-разбавитель, химически инертен при н.у.);

• Кислород (O₂) — 20.95% по объему (поддерживает дыхание и горение);

• Благородные газы (в основном аргон Ar) — 0.93%;

• Углекислый газ (CO₂) — около 0.04%;

• Водяной пар (H₂O) — переменная величина (от 0.1% до 4% в зависимости от влажности).

Воздух не имеет постоянной химической формулы, поскольку является физической смесью. Средняя молярная масса воздуха принимается равной 29 г/моль.

В лаборатории кислород получают термическим разложением кислородсодержащих соединений или каталитическим распадом пероксида водорода:

1. Каталитическое разложение пероксида водорода: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑ (катализатор MnO₂).

2. Термическое разложение перманганата калия («марганцовки»): 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ (при нагревании до 200 °C).

3. Разложение бертолетовой соли: 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂↑ (катализатор MnO₂).

Кислород собирают двумя способами:

• Вытеснением воды (кислород мало растворим в воде: в 1 л H₂O растворяется всего 31 мл O₂ при 20 °C);

• Вытеснением воздуха (так как M(O₂) = 32 г/моль > M(возд) = 29 г/моль, пробирку держат дном вниз).

Кислород — сильнейший окислитель (второй по электроотрицательности элемент после фтора). Он реагирует почти со всеми простыми веществами (кроме инертных газов, галогенов и благородных металлов Pt, Au):

1. Взаимодействие с неметаллами:

• C + O₂ → CO₂ (углекислый газ);

• S + O₂ → SO₂ (сернистый газ с резким запахом);

• 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (густой белый дым оксида фосфора(V)).

2. Взаимодействие с металлами:

• 2Mg + O₂ → 2MgO (ослепительное белое свечение);

• 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (железная окалина, искры при сгорании стальной стружки).

Оксиды — это сложные бинарные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых кислород в степени окисления -2.

Пошаговый протокол получения чистого кислорода:

Типовая расчетная задача ЕНТ:

«Какой объем воздуха (н.у.) потребуется для полного сжигания 10 л метана CH₄?»

Частая ошибка абитуриентов:

Ученики находят объем кислорода и забывают, что в воздухе кислорода всего ~21% (или 1/5 часть по объему):

Уравнение: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

По закону объемных отношений Гей-Люссака:

V(O₂) = 2 * V(CH₄) = 2 * 10 л = 20 л O₂.

Объем воздуха:

V(воздуха) = V(O₂) / φ(O₂) = 20 л / 0.21 ≈ 95.2 л (или 20 * 5 = 100 л при округлении φ = 20%).

Если написать в ответе 20 л — это ноль баллов!