Страница 67 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Назовите аллотропные модификации кислорода и сравните их свойства.

Аллотропия — это способность химического элемента существовать в виде двух или более простых веществ, которые различаются по строению и свойствам. Эти вещества называются аллотропными модификациями.

Кислород образует две основные аллотропные модификации:

• Дикислород (обычный кислород), молекула которого состоит из двух атомов, формула — $O_2$.
• Озон, молекула которого состоит из трёх атомов, формула — $O_3$.

Различие в количестве атомов в молекуле обусловливает значительные различия в физических и химических свойствах этих двух веществ. Сравнение их свойств представлено в таблице и описано ниже.

Физические свойства

Дикислород — это газ без цвета и запаха. Озон — газ бледно-голубого цвета с характерным резким запахом, который можно почувствовать в воздухе после грозы. Озон тяжелее дикислорода и имеет более высокие температуры кипения и плавления. Это связано с большей молярной массой и более сильными межмолекулярными взаимодействиями.

Химические свойства

Основное химическое различие заключается в их окислительной способности и стабильности. Молекула озона $O_3$ термодинамически нестабильна и легко распадается с выделением атомарного кислорода, который является чрезвычайно активной частицей:

$O_3 \rightarrow O_2 + O$

Благодаря этому озон является гораздо более сильным окислителем, чем дикислород. Он реагирует со многими веществами (например, с серебром, ртутью, резиной) при обычных условиях, в то время как дикислород вступает в те же реакции только при нагревании. Образование озона из кислорода происходит под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения:

$3O_2 \xrightarrow{\text{эл. разряд или УФ}} 2O_3$

Биологическая роль

Биологические роли дикислорода и озона кардинально различаются. Дикислород $O_2$ жизненно важен для аэробных организмов как основной участник процесса клеточного дыхания. Озон $O_3$, напротив, в высоких концентрациях у поверхности Земли является токсичным веществом, раздражающим дыхательные пути. В то же время, озоновый слой в стратосфере (на высоте 20-30 км) играет ключевую защитную роль, поглощая опасное для всего живого коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Ответ: Аллотропными модификациями кислорода являются дикислород ($O_2$) и озон ($O_3$). Они отличаются по числу атомов в молекуле, что определяет разницу в их свойствах. Дикислород ($O_2$) — стабильный газ без цвета и запаха, необходимый для дыхания. Озон ($O_3$) — нестабильный бледно-голубой газ с резким запахом, является гораздо более сильным окислителем, токсичен, но в стратосфере формирует защитный слой от УФ-излучения.

2. Какое значение в природе имеет озон и где он применяется?

Значение озона в природе

Озон ($O_3$) играет двойственную роль в атмосфере Земли. Его основное и жизненно важное значение связано с озоновым слоем, который находится в стратосфере на высоте от 15 до 35 км. Этот слой поглощает большую часть (97-99%) жесткого ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, которое губительно для всех живых организмов. Защищая поверхность Земли от УФ-лучей, озоновый слой предотвращает у людей развитие рака кожи и катаракты, а также защищает растения и планктон от повреждений. Образование стратосферного озона происходит из молекулярного кислорода под действием солнечного ультрафиолета по обратимой реакции: $3O_2 \rightleftharpoons 2O_3$.

Однако в нижних слоях атмосферы (тропосфере) озон является вредным загрязнителем. Он образуется в результате фотохимических реакций с участием оксидов азота и летучих органических соединений (например, из автомобильных выхлопов) и является ключевым компонентом смога. Вдыхание приземного озона опасно для здоровья, так как он вызывает раздражение дыхательных путей и может повредить легкие.

Ответ: В природе озон в стратосфере образует озоновый слой, который защищает все живое на Земле от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. В то же время приземный озон является опасным загрязнителем воздуха.

Применение озона

Применение озона основано на его сильных окислительных свойствах. Будучи аллотропной модификацией кислорода, озон ($O_3$) является одним из самых мощных окислителей, благодаря чему находит широкое применение в различных областях:

Очистка воды: Озонирование используется для обеззараживания питьевой воды, воды в бассейнах и очистки сточных вод. Озон эффективно уничтожает бактерии, вирусы и споры, при этом разлагаясь на безопасный кислород и не образуя вредных побочных продуктов, в отличие от хлорирования.

Очистка воздуха: Озонаторы применяются для дезинфекции и дезодорации воздуха в помещениях. Озон окисляет и разрушает молекулы неприятных запахов (например, табачного дыма), а также уничтожает плесень, грибки и бактерии.

Медицина: В озонотерапии озон используется благодаря своим бактерицидным, противовирусным и противогрибковым свойствам. Его применяют для лечения инфекций, улучшения кровообращения и стимуляции иммунной системы, хотя этот метод имеет ряд противопоказаний и его эффективность является предметом дискуссий в научном сообществе.

Промышленность и сельское хозяйство: Озон используется для отбеливания бумаги и тканей, в химическом синтезе, для стерилизации оборудования и упаковки в пищевой промышленности, а также для обработки и хранения сельскохозяйственной продукции с целью увеличения срока годности.

Ответ: Озон применяется как сильный окислитель для обеззараживания воды и воздуха, в медицине (озонотерапия), а также в промышленности и сельском хозяйстве для стерилизации, отбеливания и увеличения сроков хранения продуктов.

3. Запишите уравнения реакций получения кислорода в лаборатории. Каким образом можно: а) собрать кислород в сосуд; б) доказать наличие кислорода в сосуде?

Решение

В лаборатории кислород получают путем разложения сложных веществ, богатых кислородом. Наиболее часто для этого используют следующие реакции:

1. Каталитическое разложение пероксида водорода (перекиси водорода) с использованием оксида марганца(IV) в качестве катализатора. Реакция протекает при комнатной температуре.

$2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow$

2. Термическое разложение перманганата калия (в быту — марганцовка). Реакция требует нагревания.

$2KMnO_4 \xrightarrow{t} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow$

3. Термическое разложение хлората калия (бертолетовой соли). Для ускорения реакции и снижения температуры разложения также используют катализатор — оксид марганца(IV).

$2KClO_3 \xrightarrow{t, MnO_2} 2KCl + 3O_2\uparrow$

а) собрать кислород в сосуд;

Сбор кислорода основан на его физических свойствах. Существует два основных лабораторных способа:
1. Метод вытеснения воздуха.Кислород немного тяжелее воздуха (молярная масса $O_2$ составляет 32 г/моль, а средняя молярная масса воздуха – около 29 г/моль).Поэтому можно собирать кислород в сосуд (пробирку, колбу или цилиндр), расположив его отверстием вверх.Газоотводную трубку из прибора для получения кислорода опускают на дно сосуда-приемника.Поступающий кислород, будучи тяжелее, будет скапливаться внизу, вытесняя воздух из сосуда.Полноту заполнения сосуда проверяют тлеющей лучинкой у его отверстия.
2. Метод вытеснения воды.Этот способ основан на плохой растворимости кислорода в воде.Сосуд-приемник доверху наполняют водой, закрывают и переворачивают в ванну (кристаллизатор) с водой.Под водой убирают крышку и под отверстие сосуда подводят газоотводную трубку.Пузырьки кислорода будут подниматься вверх, заполняя сосуд и вытесняя из него воду.Этот способ позволяет собрать более чистый кислород и наглядно видеть, когда сосуд заполнится.
Ответ: кислород можно собрать методом вытеснения воздуха (располагая сосуд-приемник отверстием вверх) или методом вытеснения воды.

б) доказать наличие кислорода в сосуде?

Для определения наличия кислорода в сосуде проводят качественную реакцию. Для этого используют тлеющую лучинку.Деревянную лучинку поджигают и дают ей немного погореть, после чего пламя гасят, чтобы кончик лучинки продолжал тлеть.Эту тлеющую лучинку вносят в сосуд с газом, который необходимо проверить.Если лучинка ярко вспыхивает и загорается снова, это доказывает, что в сосуде находится кислород, так как кислород является сильным окислителем и активно поддерживает горение.В сосуде с воздухом лучинка продолжит просто тлеть, а в сосуде с углекислым газом или азотом — потухнет.
Ответ: чтобы доказать наличие кислорода, нужно внести в сосуд тлеющую лучинку; если она ярко вспыхнет, значит, в сосуде находится кислород.

4. Как кислород получают в промышленности?

Основным и наиболее распространенным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация воздуха. Этот метод основан на сжижении атмосферного воздуха и его последующем разделении на компоненты за счет разницы в их температурах кипения.

Процесс криогенной ректификации состоит из нескольких ключевых этапов:

1. Подготовка воздуха. Атмосферный воздух сначала сжимается компрессором, а затем проходит через систему фильтров для очистки от механических примесей (пыли), паров воды и диоксида углерода ($CO_2$). Эта очистка необходима, так как при сильном охлаждении вода и углекислый газ превращаются в лед и могут забить тонкие трубки и клапаны криогенной установки.
2. Сжижение. Очищенный и сжатый воздух охлаждается в теплообменниках до очень низких температур и превращается в жидкость. Температура сжиженного воздуха составляет около $-196°C$.
3. Ректификация. Жидкий воздух подается в ректификационную колонну — высокий вертикальный аппарат с множеством контактных устройств (тарелок). Внутри колонны происходит разделение жидкого воздуха на его основные компоненты. Поскольку температура кипения азота ($-195,8°C$) ниже, чем температура кипения кислорода ($-183°C$), при нагревании жидкого воздуха снизу колонны азот испаряется интенсивнее. Пары азота поднимаются вверх по колонне, а жидкий кислород, как более тяжелый и менее летучий компонент, стекает вниз. В результате в верхней части колонны отбирается газообразный азот, а в нижней части скапливается жидкий кислород высокой чистоты (99,5% и выше).

Кроме криогенного метода, существуют и другие способы получения кислорода, применяемые для решения специфических задач:

• Адсорбционный метод. Основан на технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции (КЦА, или PSA - Pressure Swing Adsorption). Воздух под давлением пропускается через адсорбер, заполненный специальным веществом (цеолитом), которое избирательно поглощает молекулы азота. Кислород проходит через адсорбер и собирается на выходе. Этот метод позволяет получать кислород чистотой до 95% и часто используется в небольших установках, например, для медицинских целей.
• Электролиз воды. Кислород получают путем разложения воды под действием электрического тока. Процесс описывается уравнением: $2H_2O \xrightarrow{\text{электрический ток}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$. Этот метод очень энергоемкий и дорогой, поэтому его применяют только тогда, когда требуется кислород очень высокой чистоты или когда основным целевым продуктом является водород.

Ответ: В промышленности кислород в основном получают методом низкотемпературной (криогенной) ректификации сжиженного воздуха. Этот способ позволяет производить большие объемы кислорода высокой чистоты. Другие методы, такие как адсорбция и электролиз воды, используются реже и для специфических целей.

5. Назовите области применения кислорода.

Кислород ($O_2$) — химически активный неметалл, самый распространенный элемент на Земле. Благодаря своей способности поддерживать горение и окислять множество веществ, он нашел широкое применение в самых разнообразных отраслях промышленности и сферах жизни.

Металлургия
Кислород используется для обогащения воздушного дутья в доменных и мартеновских печах, а также в кислородных конвертерах при производстве стали. Это позволяет значительно интенсифицировать процесс горения, повысить температуру и ускорить плавку. В результате улучшается качество металла за счет более эффективного удаления примесей (углерода, кремния, фосфора). Также широко распространена кислородно-ацетиленовая и другая кислородно-газовая сварка и резка металлов, где кислород используется для создания высокотемпературного пламени.

Химическая промышленность
Кислород выступает в роли важнейшего окислителя при синтезе многих химических продуктов. Ключевые процессы с его участием включают:

• Производство азотной кислоты ($HNO_3$) путем каталитического окисления аммиака ($NH_3$).
• Производство серной кислоты ($H_2SO_4$), где кислород используется для окисления диоксида серы ($SO_2$) до триоксида серы ($SO_3$).
• Синтез оксида этилена, винилацетата, акриловой кислоты и других важных органических соединений.

Медицина и здравоохранение
Медицинский кислород жизненно необходим для поддержания дыхания пациентов. Его применяют при нарушениях дыхательной функции (пневмония, отек легких, астма), во время наркоза при хирургических операциях, а также для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Кислород подается через маски, носовые канюли или аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ). Метод гипербарической оксигенации (лечение кислородом под высоким давлением в барокамерах) используется для терапии отравлений угарным газом, декомпрессионной болезни у водолазов и лечения некоторых инфекций.

Ракетно-космическая техника
Жидкий кислород (сокращенно LOx) является одним из наиболее эффективных и распространенных окислителей для ракетных двигателей. В сочетании с горючим, таким как керосин (RP-1) или жидкий водород ($H_2$), он создает мощную тягу, необходимую для запуска ракет-носителей и космических кораблей.

Системы жизнеобеспечения
Кислород используется для дыхания в условиях его недостатка или в изолированных средах. Он входит в состав дыхательных смесей в аквалангах для дайверов, в автономных дыхательных аппаратах для пожарных и спасателей. Системы регенерации и подачи кислорода являются неотъемлемой частью систем жизнеобеспечения на подводных лодках, космических станциях и в кабинах самолетов на больших высотах.

Энергетика и экология
В энергетике кислород применяется для газификации твердого топлива (например, угля) с целью получения синтез-газа — более экологичного и универсального энергоносителя. В сфере экологии кислород используется для очистки сточных вод: аэрация водоемов насыщает воду кислородом, активизируя аэробные бактерии, которые разлагают органические загрязнители. Также из кислорода производят озон ($O_3$) — сильный дезинфектант, применяемый для обеззараживания питьевой воды и очистки воздуха.

Другие области применения

• Стекольная промышленность: для повышения температуры в печах и улучшения качества стекла.
• Целлюлозно-бумажная промышленность: для отбеливания целлюлозы (бесхлорная отбелка), что является более экологически чистым методом.
• Пищевая промышленность: для упаковки продуктов в модифицированной газовой атмосфере ($O_2/CO_2/N_2$) для увеличения срока их хранения.

Ответ: Кислород применяется в металлургии (производство стали, сварка и резка металлов), химической промышленности (синтез кислот и органических веществ), медицине (поддержание дыхания, терапия), ракетно-космической технике (как окислитель ракетного топлива), в системах жизнеобеспечения (для дыхания в изолированных средах), а также в энергетике, экологии (очистка воды), стекольной, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности.

6. Запишите уравнения реакций, схемы которых:

a) $SO_2$ + ... $\to$ $SO_3$

б) $ZnS$ + ... $\to$ $ZnO$ + $SO_2$

в) $NaNO_3$ $\to$ $NaNO_2$ + ...

г) $C_2H_2$ + $O_2$ $\to$ ... + ...

а)

Решение

Исходная схема реакции: $SO_2 + ... \rightarrow SO_3$.

В данной реакции происходит окисление диоксида серы ($SO_2$) до триоксида серы ($SO_3$). Для этого необходим кислород ($O_2$) в качестве окислителя. Допишем его в левую часть уравнения:

$SO_2 + O_2 \rightarrow SO_3$

Теперь необходимо уравнять количество атомов каждого элемента в левой и правой частях (расставить коэффициенты).
Подсчитаем атомы:
Слева: 1 атом S, 4 атома O.
Справа: 1 атом S, 3 атома O.
Количество атомов кислорода не совпадает. Чтобы уравнять их, поставим коэффициент 2 перед $SO_3$ и $SO_2$:

$2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3$

Проверим баланс атомов:
Слева: 2 атома S, 2×2 + 2 = 6 атомов O.
Справа: 2 атома S, 2×3 = 6 атомов O.
Уравнение сбалансировано. Эта реакция обычно протекает при нагревании в присутствии катализатора (например, $V_2O_5$).

Ответ: $2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3$

б) Решение

Исходная схема реакции: $ZnS + ... \rightarrow ZnO + SO_2$.

Это реакция обжига сульфида цинка ($ZnS$). Обжиг сульфидов проводится при нагревании на воздухе, то есть при взаимодействии с кислородом ($O_2$). Допишем кислород в левую часть уравнения:

$ZnS + O_2 \rightarrow ZnO + SO_2$

Уравняем количество атомов:
Слева: 1 атом Zn, 1 атом S, 2 атома O.
Справа: 1 атом Zn, 1 атом S, 1 + 2 = 3 атома O.
Количество атомов кислорода не сбалансировано, причем справа их нечетное число. Чтобы сделать число атомов кислорода четным, поставим коэффициент 2 перед $ZnO$:

$ZnS + O_2 \rightarrow 2ZnO + SO_2$

Это нарушает баланс по цинку. Уравняем цинк, поставив 2 перед $ZnS$:

$2ZnS + O_2 \rightarrow 2ZnO + SO_2$

Теперь нарушен баланс по сере. Уравняем серу, поставив 2 перед $SO_2$:

$2ZnS + O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$

Осталось уравнять кислород. Подсчитаем атомы кислорода справа: 2×1 + 2×2 = 2 + 4 = 6. Чтобы получить 6 атомов кислорода слева, нужно поставить коэффициент 3 перед $O_2$:

$2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$

Финальная проверка:
Слева: 2 атома Zn, 2 атома S, 3×2 = 6 атомов O.
Справа: 2 атома Zn, 2 атома S, 2×1 + 2×2 = 6 атомов O.
Уравнение сбалансировано.

Ответ: $2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$

в) Решение

Исходная схема реакции: $NaNO_3 \rightarrow NaNO_2 + ...$

Это реакция термического разложения нитрата натрия ($NaNO_3$). Нитраты щелочных металлов (к которым относится натрий) при нагревании разлагаются на нитрит и кислород ($O_2$). Допишем кислород в правую часть уравнения:

$NaNO_3 \rightarrow NaNO_2 + O_2$

Уравняем количество атомов:
Слева: 1 атом Na, 1 атом N, 3 атома O.
Справа: 1 атом Na, 1 атом N, 2 + 2 = 4 атома O.
Количество атомов кислорода не сбалансировано. Для балансировки поставим коэффициент 2 перед $NaNO_3$ и $NaNO_2$:

$2NaNO_3 \rightarrow 2NaNO_2 + O_2$

Проверим баланс атомов:
Слева: 2 атома Na, 2 атома N, 2×3 = 6 атомов O.
Справа: 2 атома Na, 2 атома N, 2×2 + 2 = 6 атомов O.
Уравнение сбалансировано.

Ответ: $2NaNO_3 \rightarrow 2NaNO_2 + O_2$

г) Решение

Исходная схема реакции: $C_2H_2 + O_2 \rightarrow ... + ...$

Это реакция горения ацетилена ($C_2H_2$) в кислороде ($O_2$). При полном сгорании углеводородов образуются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$). Допишем эти продукты в правую часть уравнения:

$C_2H_2 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$

Уравняем количество атомов, действуя поочередно:
1. Углерод (C): Слева 2 атома, справа 1. Ставим коэффициент 2 перед $CO_2$:
$C_2H_2 + O_2 \rightarrow 2CO_2 + H_2O$
2. Водород (H): Слева 2 атома, справа 2. Баланс по водороду не нарушен.
3. Кислород (O): Слева 2 атома, справа 2×2 + 1 = 5 атомов. Количество атомов нечетное. Чтобы получить четное число атомов кислорода, удвоим все коэффициенты (кроме $O_2$):
$2C_2H_2 + O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$
4. Пересчитаем кислород справа: 4×2 + 2×1 = 8 + 2 = 10 атомов. Чтобы получить 10 атомов кислорода слева, ставим коэффициент 5 перед $O_2$:

$2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$

Финальная проверка:
Слева: 2×2 = 4 атома C, 2×2 = 4 атома H, 5×2 = 10 атомов O.
Справа: 4 атома C, 2×2 = 4 атома H, 4×2 + 2×1 = 10 атомов O.
Уравнение сбалансировано.

Ответ: $2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$

7. Исторически одним из самых первых способов получения кислорода была реакция разложения оксида ртути(II). Запишите уравнение этой реакции. К какому типу реакций по тепловому эффекту она относится?

Решение

Задача состоит из двух частей: необходимо написать уравнение реакции разложения оксида ртути(II) и определить ее тип по тепловому эффекту.

1. Уравнение реакции.
Оксид ртути(II) имеет химическую формулу $HgO$. Реакция разложения — это химический процесс, в результате которого из одного сложного вещества образуется два или более новых, более простых веществ. В данном случае оксид ртути(II) при нагревании разлагается на простые вещества: металлическую ртуть ($Hg$) и газообразный кислород ($O_2$).

Запишем схему реакции: $$HgO \rightarrow Hg + O_2$$ Теперь уравняем число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения. В правой части два атома кислорода, а в левой — один. Поставим коэффициент 2 перед $HgO$: $$2HgO \rightarrow Hg + O_2$$ Теперь в левой части два атома ртути, а в правой — один. Поставим коэффициент 2 перед $Hg$: $$2HgO \rightarrow 2Hg + O_2$$ Проверяем: слева 2 атома $Hg$ и 2 атома $O$; справа 2 атома $Hg$ и 2 атома $O$. Уравнение сбалансировано. Так как реакция идет при нагревании, над стрелкой ставят знак температуры ($t$).

Итоговое уравнение реакции: $$2HgO \xrightarrow{t} 2Hg + O_2\uparrow$$

2. Тип реакции по тепловому эффекту.
По тепловому эффекту реакции делятся на экзотермические (протекают с выделением теплоты) и эндотермические (протекают с поглощением теплоты).

Так как для осуществления реакции разложения оксида ртути(II) необходимо постоянное нагревание, то есть подвод энергии извне, эта реакция сопровождается поглощением теплоты. Следовательно, она является эндотермической.

Ответ: Уравнение реакции: $2HgO \xrightarrow{t} 2Hg + O_2$. По тепловому эффекту реакция относится к эндотермическим.

8. Подготовьте сообщение по одной из тем:

а) «Происхождение и изменение состава земной атмосферы»;

б) «Из истории открытия кислорода»;

в) «Значение кислорода».

История атмосферы Земли делится на три основных этапа, каждый из которых характеризуется уникальным составом и условиями формирования.

Первичная атмосфера. Сформировалась около 4,5 миллиарда лет назад в процессе аккреции планеты. Она состояла из легких газов, захваченных из протопланетного облака, в основном водорода ($H_2$) и гелия ($He$). Из-за слабой гравитации молодой Земли и воздействия солнечного ветра эти газы быстро улетучились в космос.

Вторичная атмосфера. Образовалась в результате интенсивной вулканической деятельности, которая высвобождала газы из недр планеты (дегазация мантии). Эта атмосфера была плотной и состояла преимущественно из водяного пара ($H_2O$), углекислого газа ($CO_2$) и азота ($N_2$), а также содержала примеси аммиака ($NH_3$), метана ($CH_4$), сероводорода ($H_2S$) и диоксида серы ($SO_2$). Важнейшей особенностью вторичной атмосферы было практически полное отсутствие свободного кислорода ($O_2$), поэтому она была восстановительной, а не окислительной.

Третичная (современная) атмосфера. Ключевым событием, приведшим к формированию современной атмосферы, стало появление жизни. Около 3,5–2,7 миллиарда лет назад появились первые фотосинтезирующие организмы — цианобактерии. В процессе фотосинтеза они поглощали углекислый газ и выделяли кислород: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$. Этот процесс кардинально изменил состав атмосферы.

Накопление кислорода происходило медленно. Сначала он расходовался на окисление растворенных в океане соединений, в первую очередь железа, что привело к образованию масштабных отложений — полосчатых железистых кварцитов. Примерно 2,4 миллиарда лет назад, после насыщения океанических поглотителей, кислород начал накапливаться в атмосфере. Это событие известно как «Кислородная катастрофа», так как кислород был токсичен для доминировавших в то время анаэробных форм жизни. Однако это же событие создало условия для эволюции аэробных организмов, способных использовать кислород для более эффективного получения энергии.

Появление свободного кислорода привело к формированию озонового слоя ($O_3$) в стратосфере. Озон стал поглощать жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, что защитило поверхность Земли и позволило жизни выйти из океана на сушу. Со временем состав атмосферы стабилизировался, достигнув современных значений: около 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, 0,04% углекислого газа и незначительных количеств других газов. В настоящее время деятельность человека, в частности сжигание ископаемого топлива, ведет к росту концентрации $CO_2$, что влияет на климат планеты.

Ответ: Атмосфера Земли прошла три этапа эволюции: первичная (водородно-гелиевая), вторичная (вулканическая, бескислородная) и третичная (современная, азотно-кислородная). Ключевым фактором перехода от вторичной к третичной атмосфере стало появление фотосинтезирующих организмов, которые насытили атмосферу кислородом. Этот процесс, известный как «Кислородная катастрофа», привел к формированию озонового слоя и создал условия для развития аэробной жизни.

Открытие кислорода стало одним из ключевых событий в истории химии, которое привело к крушению господствовавшей теории флогистона и заложило основы современной науки. Хотя приоритет открытия оспаривается между несколькими учеными, каждый из них внес свой уникальный вклад.

До XVIII века считалось, что горение — это процесс высвобождения из вещества особого элемента, «флогистона». Воздух же считался лишь средой, которая может принять определенное количество этого флогистона.

Первым, кто выделил кислород в чистом виде, был шведский химик-аптекарь Карл Вильгельм Шееле. В 1772 году в ходе экспериментов по нагреванию различных веществ (оксида ртути, селитры, диоксида марганца) он получил газ, который активно поддерживал горение. Шееле назвал его «огненным воздухом» (Feuerluft). Однако из-за задержки с публикацией его труд «Химический трактат о воздухе и огне» увидел свет лишь в 1777 году, уже после того, как о подобном открытии сообщил другой ученый.

Независимо от Шееле, 1 августа 1774 года кислород получил английский естествоиспытатель и философ Джозеф Пристли. Он проводил опыты, фокусируя солнечные лучи с помощью большой линзы на оксиде ртути(II) ($HgO$), помещенном под стеклянный колпак. Выделившийся газ поразил Пристли своими свойствами: тлеющая лучинка в нем ярко вспыхивала, а мыши жили в нем значительно дольше, чем в таком же объеме обычного воздуха. Будучи сторонником теории флогистона, Пристли назвал полученный газ «дефлогистированным воздухом», считая, что он просто лишен флогистона и потому может активнее его поглощать. Свои результаты он опубликовал в 1775 году, опередив Шееле.

Окончательно разобрался в природе нового газа и его роли французский химик Антуан Лавуазье. Узнав об опытах Пристли, он повторил их и провел серию точных количественных экспериментов по сжиганию веществ в замкнутых сосудах. Лавуазье доказал, что горение — это не выделение флогистона, а процесс соединения вещества с частью воздуха. Эту активную часть воздуха, которую он сначала назвал «животворным воздухом», он в 1777 году идентифицировал как простое вещество и дал ему название «оксиген» (oxygène), что в переводе с греческого означает «рождающий кислоты» ($ὀξύς$ — кислый, $γεννάω$ — рождаю). Лавуазье ошибочно полагал, что кислород является обязательным компонентом всех кислот, но его работа окончательно опровергла теорию флогистона и заложила основы современной химии.

Ответ: Кислород был независимо открыт Карлом Шееле (1772) и Джозефом Пристли (1774). Шееле назвал его «огненным воздухом», а Пристли — «дефлогистированным воздухом». Однако истинную природу кислорода как химического элемента и его роль в процессах горения и дыхания объяснил Антуан Лавуазье, который и дал ему современное название.

Кислород — один из самых распространенных химических элементов на Земле и, без преувеличения, один из важнейших для жизни и цивилизации. Его значение охватывает биологические, геологические и технологические процессы.

Биологическое значение

• Дыхание: Главная роль кислорода — участие в процессе клеточного дыхания у аэробных организмов (животных, растений, грибов, большинства бактерий). В ходе дыхания органические вещества окисляются с выделением энергии, необходимой для всех жизненных процессов: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия}$. Этот процесс энергетически гораздо более выгоден, чем анаэробное (бескислородное) дыхание.
• Составная часть живых организмов: Атомы кислорода входят в состав молекулы воды ($H_2O$), а также всех важнейших органических соединений: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот.
• Защитная функция: В верхних слоях атмосферы (стратосфере) из кислорода под действием ультрафиолетового излучения образуется озон ($O_3$). Озоновый слой поглощает большую часть губительного для живых организмов ультрафиолета, защищая жизнь на планете.

Промышленное и технологическое значение

• Горение: Кислород необходим для горения топлива (угля, нефти, газа, дров), что лежит в основе работы тепловых электростанций, двигателей внутреннего сгорания, котельных и бытовых печей.
• Металлургия: В металлургии кислород используется для выплавки стали и цветных металлов. Продувка расплавленного чугуна кислородом в конвертерах позволяет быстро и эффективно удалять примеси (углерод, серу, фосфор), превращая его в сталь.
• Химическая промышленность: Кислород является важным реагентом для синтеза множества химических продуктов, таких как азотная и серная кислоты, оксид этилена, синтетические каучуки и пластмассы.
• Сварка и резка металлов: В кислородно-ацетиленовых горелках смесь кислорода и ацетилена создает пламя с температурой свыше 3000°C, что позволяет резать и сваривать толстые листы металла.
• Ракетная техника: Жидкий кислород (LOX) — один из самых распространенных окислителей для ракетного топлива. Его реакция с горючим (например, керосином или жидким водородом) создает мощную тягу для вывода космических аппаратов на орбиту.

Медицинское значение

• Кислородная терапия: Чистый кислород или обогащенные им газовые смеси применяются для лечения заболеваний, связанных с дыхательной недостаточностью (пневмония, астма, ХОБЛ) и гипоксией (недостатком кислорода в тканях).
• Анестезиология: Кислород используется в аппаратах искусственной вентиляции легких и подается вместе с ингаляционными анестетиками во время хирургических операций.

Ответ: Значение кислорода огромно: он является основой дыхания для большинства живых организмов, входит в состав важнейших органических и неорганических соединений, формирует защитный озоновый слой. В промышленности кислород незаменим для процессов горения, выплавки металлов, химического синтеза. Он также широко применяется в медицине и ракетной технике.

9. Присутствие кислорода в атмосфере Земли делает её пригодной для жизни. Однако известно и негативное влияние кислорода. Приведите примеры отрицательных явлений, связанных с наличием кислорода в воздухе. Предложите методы борьбы с этими явлениями.

Несмотря на то, что кислород ($O_2$) является основой аэробного дыхания и делает жизнь на Земле возможной, его высокая химическая активность и окислительные свойства являются причиной ряда негативных процессов.

Примеры отрицательных явлений, связанных с наличием кислорода в воздухе

• Коррозия металлов. Это процесс самопроизвольного разрушения металлов под воздействием окружающей среды. Наиболее известный пример — ржавление железа, которое происходит при обязательном участии кислорода и воды. Этот процесс приводит к потере прочности и разрушению металлических конструкций, изделий и оборудования. Упрощенная химическая схема образования ржавчины: $4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$.
• Горение и пожары. Кислород является сильным окислителем, который активно поддерживает горение. Хотя этот процесс широко используется человеком, неконтролируемое горение, то есть пожар, приводит к колоссальным разрушениям, уничтожению лесов, зданий и гибели живых организмов.
• Порча пищевых продуктов. Кислород воздуха вызывает окисление жиров (что приводит к прогорканию), витаминов и других органических соединений в продуктах. Это ведет к потере их пищевой ценности, ухудшению вкуса и запаха. Также кислород необходим для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов (бактерий, плесени), вызывающих гниение.
• Старение материалов. Многие органические материалы, такие как резина, пластмассы, ткани, под действием кислорода (особенно под влиянием света и тепла) теряют свои полезные свойства — становятся хрупкими, теряют эластичность и цвет. Этот процесс называется окислительной деструкцией.
• Окислительный стресс в живых организмах. В процессе клеточного дыхания в организме образуются побочные продукты — активные формы кислорода (свободные радикалы). Эти частицы могут повреждать клеточные мембраны, белки и ДНК. Накопление таких повреждений связано с процессами старения и развитием многих заболеваний (сердечно-сосудистых, онкологических и других).

Методы борьбы с этими явлениями

• Борьба с коррозией:
  • Изоляция металла от контакта с кислородом и влагой с помощью защитных покрытий: нанесение красок, лаков, эмалей, масел.
  • Нанесение на поверхность защитного слоя другого, более или менее активного металла (например, цинкование или хромирование стали).
  • Создание сплавов, устойчивых к коррозии (например, нержавеющая сталь, в которую добавлены хром и никель).
  • Использование ингибиторов — веществ, замедляющих коррозию.
• Борьба с пожарами:
  • Основной метод тушения — прекращение доступа кислорода к очагу возгорания. Для этого используют огнетушащие средства: воду, пену, углекислый газ, порошки, песок или плотные ткани.
  • Соблюдение правил пожарной безопасности для предотвращения возгораний.
• Сохранение продуктов питания:
  • Использование герметичной упаковки: вакуумной или с модифицированной газовой средой, где воздух заменен на инертные газы (например, азот).
  • Добавление в продукты пищевых добавок-антиоксидантов (антиокислителей), которые замедляют процесс окисления (например, аскорбиновая кислота — витамин C).
  • Хранение продуктов при низких температурах (в холодильниках), что замедляет скорость химических реакций.
• Защита материалов от старения:
  • Введение в состав полимерных материалов специальных добавок — стабилизаторов (антиоксидантов), которые препятствуют их окислению.
• Борьба с окислительным стрессом в организме:
  • В организме существует собственная антиоксидантная система (специальные ферменты).
  • Употребление в пищу продуктов, богатых природными антиоксидантами (витамины C, E, флавоноиды), которые содержатся в свежих овощах, фруктах, ягодах и зелени.

Ответ: К отрицательным явлениям, связанным с кислородом, относятся коррозия металлов, горение и пожары, порча продуктов питания, старение полимерных материалов и окислительный стресс в живых организмах. Методы борьбы с ними включают: для металлов — защитные покрытия и создание специальных сплавов; для пожаров — использование огнетушащих средств, перекрывающих доступ кислорода; для продуктов — герметичную упаковку, охлаждение и добавление антиоксидантов; для материалов — введение стабилизаторов; для организма — поддержание работы собственной антиоксидантной системы и употребление пищи, богатой природными антиоксидантами.