Аллотропные модификации кислорода

Все элементы VI группы способны существовать в нескольких аллотропных модификациях.

Аллотропия (от греч. allos – другой и tropos – способ, образ) – существование одного и того же химического элемента в виде нескольких простых веществ (аллотропных модификаций), отличающихся по строению и свойствам.

Элемент кислород образует два простых вещества: кислород О2 и озон О3, которые являются аллотропными модификациями, отличающимися по составу и строению молекул.

Строение молекул кислорода и озона

Молекулы кислорода линейны, так как состоят из двух атомов, соединенных двойной связью (О=О), длина которой 0,121 нм.

Озон состоит из трехатомных молекул, связи в которых направлены друг к другу под углом 116,8о. Длина связи между атомами кислорода в озоне 0,127 нм, что меньше длины одинарной связи −О−О− в пероксидах (0,148 нм)  и больше длины двойной связи О=О. Строение молекулы озона можно представить в виде  комбинации двух крайних (или резонансных) структур (рис. 1).

Рис. 1. Резонансные структуры молекулы озона.

Каждая из таких структур не существует в реальности (это “схема” молекулы озона), в действительности молекула представляет собой нечто среднее между этими двумя структурами.

Рис. 2.

Рассмотрим механизм образования молекулы озона с позиции теории валентных связей. Поскольку угол связи в озоне близок к 120 °, то вероятно, что атомы кислорода в озоне находятся в состоянии sp 2 гибридизации. Угол связи сжимается до 116о из-за наличия неподеленной пары на атоме кислорода (рис. 2). Это объясняется отталкиванием между неподеленной парой и электронами концевых атомов кислорода.

Концевые атомы кислорода имеют по две гибридные неподеленные пары электронов, а один из них еще и негибридную р-орбиталь. Поэтому в молекуле озона образуется одна сопряженная делокализованная трехцентровая связь между всеми атомами кислорода (рис.3). Порядок каждой связи – 1,5.

Рис. 3. Образование связей в молекуле озона.

Молекула озона полярна. Причина ее полярности, заключается в неравномерности распределения электронов между тремя атомами кислорода в молекуле: средний атом кислорода делит электроны с двумя другими атомами, а концевые – только с одним. Это приводит к тому, что центральный атом имеет «меньшую долю» электронной плотности по сравнению с другими. Соответственно на среднем атоме образуется частичный положительный заряд, а на концевых – частичный отрицательный заряд. Поскольку молекула озона имеет угловую форму, то центр тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, и молекула озона полярна.

Физические свойства кислорода и озона

При обычных условиях кислород – бесцветный газ без запаха и вкуса.  переходит из газообразного в жидкое состояние при температуре -183 °C, так как межмолекулярные связи в кислороде слабы. Жидкий кислород имеет слегка голубоватый цвет. При  -219 °C жидкий кислород превращается в твердый. Температура кипения озона заметно выше, чем у кислорода -111,5 °С. Эта разница в температурах кипения позволяет легко отделить озон от кислорода сильным охлаждением; озон при этом конденсируется в жидкость синего цвета. При температуре  -193 ° С озон кристаллизуется и образует фиолетово-черное твердое вещество.

Кислород плохо растворим в воде при 20 °С в 100 объемах воды растворяется 1,64 объема кислорода. Полярность молекул озона приводит к тому, что его растворимость в воде значительно больше, чем у кислорода: 100 объемов води при 20 °С растворяет 49 объемов озона.

Химические свойства кислорода

Кислород проявляет высокую окислительную активность и непосредственно реагирует практически со всеми металлами и неметаллами. Он не реагирует с золотом и платиной, а также с галогенами и некоторыми благородными газами, такими как гелий, аргон и неон.

Взаимодействие кислорода с металлами

Большинство металлов взаимодействует с кислородом при обычных условиях с образованием оксидов.

Магний – активный метал, поэтому он вспыхивает и горит на воздухе ослепительно белым пламенем. При этом  образуется оксид магния

2Mg + 2O2 = 2MgO 

При комнатной температуре железо окисляется кислородом воздуха очень медленно.  Однако, при незначительном нагревании железо  в чистом кислороде сгорает очень быстро с интенсивно ярким пламенем. При этом образуется смешанный оксид (Fe3O4) – железная окалина.

3Fe + 2O2 = Fe3O4

Щелочные металлы энергично взаимодействуют с кислородом. Рубидий и цезий воспламеняются на воздухе уже при комнатной температуре, а натрий и калий — при нагревании.

При горении щелочных металлов в кислороде образуются различные продукты.

Только при горении лития образуется его оксид

2Li + O2 = 2Li2O.

Натрий, сгорая в кислороде, образует пероксид

2Na + O2 = Na2O.

Пероксид образуется и при сгорании бария

Ba + O2 = BaO2.

Калий, рубидий и цезий образуют надпероксиды, содержащие ион О2:

K + O2 = KO2.

Взаимодействие кислорода с неметаллами

С неметаллами кислород реагирует при нагревании с образованием соответствующих оксидов. Большинство этих реакций экзотермические и чаще всего  сопровождаются горением веществ.

Температура воспламенения белого фосфора около 40 °С, красного – 240 °С. В избытке кислорода фосфор сгорает до оксида фосфора(V)

4Р + 5О2 = 2Р2О5

с серой кислород активно взаимодействует при температуре около 250 °С, в результате чего образуется оксид серы(ІV)

S + О2 = SО2,

с углеродом (в виде графита) – при 700-800 °С

С + О2 = СО2.

Реакция кислорода с азотом эндотермическая, она начинается при 1200 ° С или в электрическом разряде, при этом образуется оксид азота(II).

N2 + О2 = 2NO; ΔН = +183 кДж

Взаимодействие кислорода со сложными веществами

Кислород может реагировать с низшими оксидами, окисляя элементы до более высокой степени окисления.

С оксидом азота(II) он реагирует уже при обычных условиях с образованием оксида азота(IV)

2NO + O2 =2NO2.

При температуре около 600 оС начинается реакция кислорода с осидом углерода(II) (угарным газом), в результате которой образуется оксид углерода(IV) (углекислый газ)

2СО + О2 = 2СО2.

 

Простое газообразное вещество А при обычных условиях превратилось в другое простое вещество В, в атмосфере которого сожгли металл С и получили оксид, в котором металл находится в двух степенях окисления. Определите вещества А, В, С. Напишите уравнения всех упомянутых реакций.