Элементы VIА группы. Кислород

На этой странице вы узнаете 

• Почему без кислорода невозможна жизнь?
• Зачем нашей планете нужен озоновый слой?
• Чем полезна перекись водорода? 

В каждом механизме есть незаменимая деталь, без которой ничего работать не будет. Кислород является такой деталью во многих сложных биохимических реакциях. В этой статье мы узнаем, кто может ограбить кислород, чем знаменит озон и под кого подстраивается перекись водорода. 

Кислород как химический элемент

Кислород — элемент VIA-группы 2-ого периода таблицы Менделеева. 

Кислород расположен в VIA-группе. При этом на его внешнем слое находятся шесть электронов, два из которых неспаренные. 

За счет этих неспаренных электронов кислород обычно образует в соединениях две химические связи, то есть имеет валентность II. 

Благодаря спаренным электронам на p-подуровне, он также может образовывать третью химическую связь в соединениях по донорно-акцепторному механизму, о чем подробнее можно прочитать в статье «Химическая связь». 

Такое происходит, например, в молекуле угарного газа CO.

Кислород является вторым по электроотрицательности элементом после фтора. Следовательно, положительные степени окисления (+1, +2) для кислорода характерны только в соединениях с фтором — только фтор способен его “ограбить”. 

Степень окисления -1 он проявляет в пероксидах, за счет наличия ковалентной неполярной связи (кислородного мостика) между атомами кислорода. А наиболее характерной для него является низшая степень окисления -2, так как он постоянно кого-то “грабит”, отнимая при этом отрицательно заряженные электроны. Для него она условно постоянная. 

Итоговый набор степеней окисления кислорода: -2,-1, 0,+1,+2. 

Почему без кислорода невозможна жизнь? Главная биологическая роль кислорода — поддержка дыхания живых организмов. Он принимает участие в обменных процессах, в разложении и усвояемости различных питательных веществ. Кислород является самым распространенным элементом на Земле.

Все его химические свойства кислорода основаны на том, что благодаря высокой электроотрицательности, он является сильнейшим окислителем. 

Химические свойства кислорода

1. Реакция с неметаллами.

Кислород не взаимодействует с галогенами, кроме фтора, ввиду близких значений электроотрицательности. Условно говоря, они не могут решить, кто в реакции будет окислителем, а кто — восстановителем.

2. Как кислород реагирует с металлами? 

В реакциях с металлами кислород обычно образует оксиды, исключениями здесь являются щелочные металлы и щелочно-земельный барий: 

• литий, как и подавляющее большинство металлов, образует оксид Li₂O;
• натрий и барий образуют пероксиды Na₂O₂, BaO₂;
• калий и все нижестоящие металлы — надпероксиды/супероксиды (KO₂).

Кислород неспособен окислить неактивные металлы (начиная с серебра в ряду активности).

3. Реакции со сложными веществами. 

Кислород окисляет многие сложные вещества: 

• некоторые оксиды; 
• другие бинарные соединения — карбиды, силициды, гидриды и проч.; 
• некоторые соли — нитриты, сульфиты и проч.

Эти реакции не нужно заучивать, необходимо просто понять принцип протекания каждой из них: кислород как окислитель будет понижать степень окисления до своей условно-постоянной -2, а восстановитель — повышать.

Как видно из таблицы ниже, восстановитель обычно повышает степень окисления в ближайшую возможную для него:

В органической химии мы постоянно будем встречаться с такими реакциями, как реакции горения веществ в кислороде. Они представляют собой окислительно-восстановительную реакцию (ОВР), где окислителем является кислород, а восстановителем — органическое вещество. 

Кислород, как сильный окислитель, окисляет углерод в составе органических веществ, сразу до +4, поэтому в таких реакциях выделяется CO₂: 

Озон

В атмосфере есть озоновый слой, который образован аллотропной модификацией кислорода — озоном. По физическим свойствам озон O₃ представляет собой ядовитый голубой газ с резким специфическим запахом свежести после грозы. 

Зачем нашей планете нужен озоновый слой? Именно озоновый слой защищает Землю от опасного ультрафиолетового излучения. Его разрушение способно причинить ощутимый ущерб для жизни на нашей планете.

Озон образуется во время разрядов молнии, то есть под действием электрического тока, из молекул кислорода. Реакция выглядит следующим образом: 

Как и кислород, благодаря высокой электроотрицательности, озон проявляет сильные окислительные свойства — еще более сильные, чем у кислорода — а значит, он способен вступать в ОВР с восстановителями. В ОВР он всегда превращается в кислород O₂: 

Перекись водорода и пероксиды

Возможно, в вашей домашней аптечке есть флакончик с раствором перекиси водорода, который используется при обработке ран. Что она из себя представляет? 

В целом, пероксиды — соединения с кислородным мостиком, в которых кислород проявляет степень окисления -1. Примеры: H₂O₂, Na₂O₂, BaO₂ и проч.

Пероксид водорода (или перекись водорода) — бесцветная жидкость с металлическим вкусом, концентрированные растворы которой безопасны. 

Чем полезна перекись водорода? Разбавленные растворы перекиси водорода широко применяются в медицине для очищения и обеззараживания ран. При нагревании и на свету перекись водорода способна разлагаться на воду и кислород, поэтому на ее упаковке всегда написано «хранить в холодном, темном, защищенном от детей месте».

За счет промежуточной степени окисления кислорода в пероксидах (-1) в ОВР они могут проявлять:

• роль окислителей — кислород при этом понижает степень окисления до -2; 
• роль восстановителей — в этом случае кислород повышает степень окисления до нуля. 

Понять, в роли кого в реакции выступает пероксид, можно по реагентам, с которыми он взаимодействует — пероксид всегда “подстраивается” под того, с кем реагирует:

• если в реакцию с пероксидом вступает типичный восстановитель, пероксид выступает в роли окислителя;
• если в реакцию с пероксидом вступает типичный восстановитель, пероксид выступает в роли окислителя.

Чаще всего пероксиды являются в ОВР окислителями.

Получение перекиси водорода

Существует два основных способа получения перекиси водорода: окисление воды кислородом и реакция между пероксидом металла и какой-нибудь неорганической кислотой. 

Фактчек

• Кислород — “элемент жизни”, элемент VIA-группы 2-ого периода, образует двухатомную молекулу O_2.
• Степени окисления кислорода: -2,-1, 0,+1,+2.
• Кислород — сильный окислитель, реагирует с большинством металлов и неметаллов, также с некоторыми сложными соединениями. 
• Аллотропная модификация кислорода — озон — образует озоновый слой, является более сильным окислителем, чем кислород.
• Пероксиды — соединения с кислородным мостиком, в которых кислород проявляет степень окисления -1; проявляют окислительно-восстановительную двойственность. 

Проверь себя 

Задание 1.
Сколько неспаренных электронов находится у атома кислорода в основном электронном состоянии? 

1. 1 электрон
2. 2 электрона
3. 3 электрона
4. 6 электронов

Задание 2.
С каким веществом не реагирует кислород? 

1. углерод
2. фтор
3. хлор
4. азот 

Задание 3.
При реакции лития с кислородом образуется: 

1. оксид лития
2. пероксид лития
3. супероксид лития
4. озонид лития

Задание 4.
Перекись водорода в реакции с аммиаком проявляет: 

1. окислительные свойства
2. восстановительные свойства
3. амфотерные свойства
4. реакция не идет 

Ответы: 1. —  2; 2. — 3; 3. — 1; 4. — 1.