Кислородные соединения
Степень окисления кислорода равна почти во всех известных соединениях кислорода -2 . Степень окисления -1 встречается в некоторых соединениях, таких как пероксиды . Соединения, содержащие кислород в других степенях окисления, встречаются очень редко: − 1 ⁄ 2 ( супероксиды ), − 1 ⁄ 3 ( озониды ), 0 (элементарная, гипофтористая кислота ), + 1/2 дифторид диоксигенил ( ) , +1 ( кислорода ) и +2 ( дифторид кислорода ).
Кислород химически активен и образует оксиды со всеми другими элементами, кроме благородных газов гелия , неона , аргона и криптона . [1]
Оксиды
[ редактировать ]Вода ( Н
2 O — оксид водорода ) и наиболее знакомое соединение кислорода. Его объемные свойства частично являются результатом взаимодействия составляющих его атомов, кислорода и водорода, с атомами близлежащих молекул воды. Атомы водорода ковалентно связаны с кислородом в молекуле воды, но также обладают дополнительным притяжением (около 23,3 кДж·моль). −1 на атом водорода) к соседнему атому кислорода в отдельной молекуле. [2] Эти водородные связи между молекулами воды удерживают их примерно на 15% ближе, чем можно было бы ожидать в простой жидкости с действием только сил Ван-дер-Ваальса . [3] [4]
22О
3 , образуется при соединении кислорода с другими элементами
Благодаря своей электроотрицательности кислород при повышенных температурах образует химические связи почти со всеми другими свободными элементами, образуя соответствующие оксиды . Однако некоторые элементы, такие как железо , которое окисляется до оксида железа или ржавчины, Fe
22О
3 , легко окисляются при стандартных условиях по температуре и давлению (СТП). Поверхность таких металлов, как алюминий и титан, окисляется в присутствии воздуха и покрывается тонкой пленкой оксида, которая пассивирует металл и замедляет дальнейшую коррозию . [5] Так называемые благородные металлы, такие как золото и платина , устойчивы к прямому химическому соединению с кислородом, а такие вещества, как оксид золота (III) ( Au
22О
3 ) должен формироваться косвенным путем.
Все щелочные самопроизвольно и щелочноземельные металлы реагируют с кислородом при воздействии сухого воздуха с образованием оксидов и гидроксидов в присутствии кислорода и воды. В результате ни один из этих элементов не встречается в природе в свободном виде. Цезий настолько реагирует с кислородом, что его используют в качестве газопоглотителя в вакуумных лампах . Хотя твердый магний медленно реагирует с кислородом при СТП, он способен гореть на воздухе, создавая очень высокие температуры, а его металлический порошок может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом.
Кислород присутствует в атмосфере в виде соединений в следовых количествах в виде углекислого газа ( CO
2 ) и оксиды азота (NO x ). состоит Порода земной коры в основном из оксидов кремния ( кремнезем SiO
2 , встречается в граните и песке ), алюминий ( оксид алюминия Al
22О
3 , в боксите и корунде ), железо ( оксид железа(III) Fe
22О
3 , в гематите и ржавчине ) и других оксидах металлов .
Другие неорганические соединения
[ редактировать ]
2 )
Остальная часть земной коры образована также соединениями кислорода, в первую очередь карбонатом кальция (в известняках ) и силикатами (в полевых шпатах ). Водорастворимые силикаты в виде Na
4 SiO
4 , Это
2 СиО
3 и Na
2 Си
22О
5 используются в качестве моющих средств и клеев . [6]
Пероксиды сохраняют часть исходной молекулярной структуры кислорода (( − оо − ). Белая или светло-желтая перекись натрия ( Na
22О
2 ) образуется при металлического натрия сгорании в кислороде. Каждый атом кислорода в его пероксид- ионе может иметь полный октет из 4 пар электронов . [6] Супероксиды — это класс соединений, которые очень похожи на пероксиды, но имеют только один неспаренный электрон на каждую пару атомов кислорода ( O −
2 ). [6] Эти соединения образуются при окислении щелочных металлов с более крупными ионными радиусами (K, Rb, Cs). Например, супероксид калия ( КО
2 ) представляет собой твердое вещество оранжево-желтого цвета, образующееся при калия реакции с кислородом.
Перекись водорода ( H
22О
2 объем от 96% до 98% водорода и от 2 до 4% кислорода. ) можно получить, пропуская через электрический разряд [7] Более коммерчески жизнеспособный метод - позволить автоокислению органического промежуточного продукта, 2-этилантрагидрохинона, растворенного в органическом растворителе, окислиться до H.
22О
2 и 2-этилантрахинон. [7] Затем 2-этилантрахинон восстанавливают и возвращают в процесс.
Многие оксиды металлов при растворении в воде образуют щелочные растворы, а многие оксиды неметаллов образуют кислые растворы. Например, оксид натрия в растворе образует сильноосновный гидроксид натрия , а пятиокись фосфора в растворе образует фосфорную кислоту . [7]
Кислородные анионы, такие как хлораты ( ClO −
3 ), перхлораты ( ClO −
4 ), хроматы ( CrO 2−
4 ), дихроматы ( Cr
22О 2−
7 ), перманганаты ( MnO −
4 ) и нитраты ( NO −
3 ) являются сильными окислителями. Кислород образует гетерополикислоты и полиоксометаллат- ионы с вольфрамом , молибденом и некоторыми другими переходными металлами , такими как фосфорновольфрамовая кислота ( H
3 ПВт
12 О
40 ) и октадекамолибдофосфорная кислота ( H
6 П
2 я
18 О
62 ).
Кислород может образовывать оксиды с более тяжелыми благородными газами ксеноном и радоном , хотя для этого нужны косвенные методы. Хотя оксиды криптона неизвестны, кислород способен образовывать ковалентные связи с криптоном в нестабильном соединении Kr(OTeF 5 ) 2 .
Одним из неожиданных кислородных соединений является диоксигенилгексафторплатинат , O +
2 ПТФ −
6 , обнаруженный при изучении свойств гексафторида платины ( PtF
6 ). [8] Изменение цвета при воздействии атмосферного воздуха на это соединение позволило предположить, что дикислород окисляется (в свою очередь, сложность окисления кислорода привела к гипотезе о том, что ксенон может окисляться PtF).
6 , что привело к открытию первого соединения ксенона – гексафторплатината ксенона Xe. +
ПтФ −
6 ). Катионы кислорода образуются только в присутствии более сильных окислителей, чем кислород, что ограничивает их действие фтора и некоторых соединений фтора. простые фториды кислорода . Известны [9]
Органические соединения
[ редактировать ]
(кислород выделен красным, углерод — черным, водород — белым)
К наиболее важным классам органических соединений, содержащих кислород, относятся (где «R» — органическая группа): спирт (R-OH); эфиры (РОР); кетоны (R-CO-R); альдегиды (R-CO-H); карбоновые кислоты (R-СООН); сложные эфиры (R-COO-R); ангидриды кислот (R-CO-O-CO-R); амиды (RC(O)-NR 2 ). Существует множество важных органических растворителей , содержащих кислород, среди которых: ацетон , метанол , этанол , изопропанол , фуран , ТГФ , диэтиловый эфир , диоксан , этилацетат , ДМФ , ДМСО , уксусная кислота , муравьиная кислота . Ацетон ( (CH
3 )
2 CO ) и фенол ( C
66Ч
5 OH ) используются в качестве питательных материалов при синтезе множества различных веществ. Другими важными органическими соединениями, содержащими кислород, являются: глицерин , формальдегид , глутаровый альдегид , лимонная кислота , уксусный ангидрид , ацетамид и др. Эпоксиды — это простые эфиры , в которых кислородатом является частью кольца из трех атомов.
Кислород самопроизвольно реагирует со многими органическими соединениями при комнатной температуре или ниже в процессе, называемом автоокислением . [7] Щелочные растворы пирогаллола , бензол-1,2,3-триола поглощают кислород из воздуха и используются при определении концентрации кислорода в атмосфере. Большинство органических соединений , содержащих кислород, не образуются под прямым действием кислорода. Органические соединения, важные в промышленности и торговле, производятся путем прямого окисления предшественников, включая: [6]
- Оксид этилена (используется для изготовления антифриза этиленгликоля ) получается прямым окислением этилена :
- С
22Ч
4 + ½ О
2 + катализатор
———→ C
22Ч
4 Ох
- С
- Перуксусную кислоту (питатель различных эпоксидных соединений) получают из ацетальдегида :
- СН
3 ГОРЯЧИЙ + О
2 + катализатор
———→ CH
3 С(О)-OOH
- СН
Биомолекулы
[ редактировать ]
Этот элемент содержится почти во всех биомолекулах , которые важны для жизни или генерируются ею. Лишь некоторые распространенные сложные биомолекулы, такие как сквален и каротины , не содержат кислорода. Из органических соединений, имеющих биологическое значение, углеводы содержат наибольшую массовую долю кислорода (около 50%). Все жиры , жирные кислоты , аминокислоты и белки содержат кислород (благодаря наличию в этих кислотах карбонильных групп и их эфирных остатков). Более того, семь аминокислот, входящих в состав белков, также содержат кислород в своих боковых цепях. Кислород также содержится в фосфате (PO 4 3− ) группы в биологически важных энергонесущих молекулах АТФ и АДФ , в остове и пуринах (кроме аденина ) и пиримидинах РНК , и ДНК а также в костях в виде фосфата кальция и гидроксиапатита .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Химические свойства кислорода [1] , Lenntech. По состоянию на 25 января 2008 г. «Кислород реакционноспособен и образует оксиды со всеми другими элементами, кроме гелия, неона, аргона и криптона».
- ^ П. Максютенко, Т. Р. Риццо и О. В. Бояркин (2006). «Прямое измерение энергии диссоциации воды», J. Chem. Физ. 125 дои 181101.
- ^ Чаплин, Мартин (4 января 2008 г.). «Водоводородная связь» . Проверено 6 января 2008 г.
- ^ Кроме того, поскольку кислород имеет более высокую электроотрицательность, чемводород, разница зарядов делает его полярной молекулой . Взаимодействия между различными диполями каждой молекулы вызывают результирующую силу притяжения.
- ^ Слою оксида алюминия можно добиться большей толщины с помощью процесса электролитического анодирования .
- ^ Перейти обратно: а б с д Кук 1968 , стр.507.
- ^ Перейти обратно: а б с д Кук 1968 , стр.506.
- ^ Кук 1968 , стр.505.
- ^ Коттон, Ф. Альберт и Уилкинсон, Джеффри (1972). Продвинутая неорганическая химия: подробный текст . (3-е издание). Нью-Йорк, Лондон, Сидней,Торонто: Межнаучные публикации. ISBN 0-471-17560-9 .
- Кук, Герхард А.; Лауэр, Кэрол М. (1968). «Кислород». В Клиффорде А. Хэмпеле (ред.). Энциклопедия химических элементов . Нью-Йорк: Книжная корпорация Рейнхолда. стр. 499–512 . LCCN 68-29938 .