Роль кислорода в природе и технике

           Министерство  образования  Российской  Федерации.

                    Министерство образования Московской Области

                Кафедра химии 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа по химии на тему: 

«Роль кислорода в природе и технике» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Выполнил:

      Студент 4  курса

Биолого-химического  факультета

                                                                        Руководитель:

                                                                         
 
 
 
 
 
 

        2010год 
 
 
 
 

     План

I.Введение

1.1 Открытие элемента кислорода…………………………….4

II. Возникновение кислорода……………………….………6

III. Нахождение кислорода в природе………………..……9

3.1 В составе простых веществ…………………………………9

3.2 В составе сложных веществ…………………...…………10  

IV. Положение в таблице Д.И. Менделеева,

  строение……………………………………………….…….11 

V. Сравнение окислительно-восстановительных свойств и размера ядра кислорода с элементами стоящими с ним в той же подгруппе, группе и периоде………………..….11 

VI. Получение кислорода

6.1 В лаборатории…………………………………………………12

6.2 В промышленности…………………………………………..12

VII Физические свойства……………………………….....14

VIII Химические свойства…………………………..…….15

IX. Кислород в металлургии …………………….………..18

X. Роль кислорода в органическом синтезе

10.1 Cупероксид анион-радикал…………………………………20

10.2 Супероксид калия………………………………………………….…..20

10.3 Реакция дегидрирования………………………………………..……21

10.4 Перекисный эффект  Хараша……………………………………....21

10.5 Взаимодействие с  алкилгалогенидами…………………………....23

10.6 Некоторые окислительно-восстановительные  реакции……..23

10.7 Фермент супероксиддисмутаза…………………………….……..24

XI. Роль кислорода в природе…………………………….26

11.1 Продукты окисления………………………………………………..26

11.2 Кислород в воздухе………………………………………………….27

11.3 Кислород в почве……………………………………………………28

 

11.4 Кислород в воде……………………………………………………29

11.5 Озоновый слой…………………………………………….30

11.6 Химические свойства озона……………………………31

XII. Заключение………………………………………….35 

XIII. Список литературы………………………………..36

I.Введение

1.1 Открытие элемента кислорода

 

     1 августа 1774 года я попытался извлечь воздух из ртутной окалины и нашел, что воздух легко может быть изгнан из нее посредством линзы. Этот воздух не поглощался водой. Каково же было мое изумление, когда я обнаружил, что свеча горит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетно пытался я найти объяснение этому явлению.

Джозеф  Пристли 

     То, что кислород невидим, безвкусен, лишен  запаха, газообразен при обычных  условиях, надолго задержало его  открытие.

     Многие  ученые прошлого догадывались, что  существует вещество со свойствами, которые, как мы теперь знаем, присущи кислороду.

     Изобретатель  подводной лодки К. Дреббель еще  в начале XVII в. выделил кислород, выяснил роль этого газа для дыхания и использовал его в своей подводной лодке. Но работы Дреббеля практически не повлияли на развитие химии. Его изобретение носило военный характер, и все, что было так или иначе связано с ним, постарались своевременно засекретить.

     Кислород  открыли почти одновременно два  выдающихся химика второй половины XVIII в. швед Карл Вильгельм Шееле и  англичанин Джозеф Пристли. Шееле получил кислород раньше, но его трактат «О воздухе и огне», содержавший информацию о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли.

     И все-таки главная фигура в истории  открытия кислорода  не Шееле и  не Пристли. Они открыли новый газ и только. Открыли кислород и до конца дней своих остались ревностными защитниками теории флогистона! Теории некогда полезной, но к концу XVIII в. ставшей уже «кандалами на ногах науки».

     Позже Фридрих Энгельс напишет об этом: «Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал в их руках бесследно... Собственно открывшим кислород, поэтому остается Лавуазье, а не те двое, которые только описали кислород, даже не догадываясь, что они описывают».

     Великий французский химик Антуан Лоран  Лавуазье (тогда еще очень молодой) узнал о кислороде от самого Пристли. Спустя два месяца после открытия «дефлогистонированного воздуха» Пристли  приехал в Париж и подробно рассказал о том, как было сделано это открытие и из каких веществ (ртутная и свинцовая окалины) новый «воздух» выделяется.

     До  встречи с Пристли Лавуазье не знал, что в горении и дыхании  принимает участие только часть  воздуха. Теперь он по-новому поставил начатые двумя годами раньше исследования горения. Для них характерен скрупулезный количественный подход: все, что можно, взвешивалось или как-либо иначе измерялось.

     Лавуазье  наблюдал образование красных чешуек «ртутной окалины» и уменьшение объема воздуха при нагревании ртути в запаянной реторте. В другой реторте, применив высокотемпературный нагрев, он разложил полученные в предыдущем опыте 2,7  С «ртутной окалины» и получил 2,5  С ртути и 8 кубических дюймов того самого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором часть ртути была превращена в окалину, было «потеряно» как раз 8 кубических дюймов воздуха, а остаток его стал «азотом» – не жизненным, не поддерживающим ни дыхания, ни горения. Газ, выделенный при разложении окалины, проявлял противоположные свойства, и потому Лавуазье вначале назвал его «жизненным газом». Лавуазье выяснил сущность горения. И надобность в флогистоне – «огненной материи», якобы выделяющейся при сгорании любых горючих, отпала.

     Кислородная теория горения пришла на смену теории флогистона. За два века, прошедших со времени открытия, теория Лавуазье не только не была опровергнута, но еще более укрепилась.

     Это не значит, конечно, что об элементе №8 современной науке известно абсолютно  все. 
 
 

II. Возникновение кислорода

Кислород – 8-й элемент Периодической таблицы (заряд ядра 8), химический символ – O, относительная атомная масса (атомный вес) 16. Валентность кислорода в соединениях равна двум, наиболее распространенная степень окисления -2. Молекула кислорода О₂ , молекулярная масса (молекулярный вес) 32 а.е.м. Молярная масса 32 г/моль. Мы не случайно начинаем изучение химии важнейших элементов с кислорода. Кислород – действительно важнейший элемент. Его химия тесно связана практически со всеми элементами Периодической системы, поскольку с каждым из них кислород образует те или иные соединения. Исключение составляют только легкие инертные газы – гелий, неон, аргон. Есть и еще одна важная причина. Кислород играет исключительную роль в существовании на Земле жизни и всей человеческой цивилизации. На поверхности планеты – в земной коре – связанный кислород является самым распространенным элементом. В составе минералов, в виде соединений с другими элементами он составляет 47 % от массы земной коры! В атмосфере Земли кислород находится в свободном (не связанном) состоянии: здесь его 21 % по объему или 23 % по массе. Толщина земной атмосферы составляет несколько сотен километров. Разумеется, уже в 100 км от поверхности Земли атмосфера очень разрежена, тем не менее, ее состав определяется с помощью спутников. Если взять глобус диаметром 35 см и представить вокруг него двухсантиметровый слой, то мы получим некоторое понятие о масштабах земной атмосферы. Ее объем составляет более чем 4·10¹⁸ м³. Огромное количество кислорода (86 - 89 % по массе с учетом растворенных в воде солей) содержит гидросфера Земли – моря и океаны. Преобладание кислорода среди других элементов в атмосфере и земной коре нашей планеты не может оказаться случайным. Вероятно, это явление связано с возникновением и развитием жизни. В атмосфере молодой Земли кислорода практически не было. Основная масса первичной атмосферы приходилась на диоксид углерода CO₂. Оставшуюся часть составляли газы, которые и сейчас выделяются из недр при вулканической деятельности. Главным образом это пары воды (Н₂О), хлористый водород (HCl), монооксид углерода (СО), азот (N₂), сероводород (H₂S) и другие.

Основная масса  кислорода в атмосфере планеты  возникла только после появления  на Земле первых фотосинтезирующих  одноклеточных организмов – прокариот, известных под названием сине-зеленые водоросли. Процесс этот начался около 2 млрд. лет тому назад (см. рис. 6-1). Под действием солнечного света (отсюда название – фотосинтез) прокариоты усваивали из углекислого газа углерод и кислород. Из воды они усваивали только водород, одновременно выделяя в атмосферу свободный кислород в качестве побочного продукта жизнедеятельности. Прокариоты не нуждались в свободном кислороде – такой тип бескислородного "дыхания" называется анаэробным. Возможно, кислород нужен был прокариотам и как средство борьбы с анаэробными бактериями-конкурентами. Кислород накапливался в атмосфере и реагировал с элементами и их соединениями, находящимися на поверхности и в атмосфере молодой Земли.

Рис. 6-1. Одна из гипотез возникновения современной  атмосферы Земли. Обратите внимание на связь между изменением состава  атмосферы и сменой биологических  эпох. (По книге П. Эткинса "Молекулы"). Таким образом, весьма ценный для нас с вами кислород, которым мы дышим и без которого не в состоянии прожить и нескольких минут, когда-то был загрязняющим веществом в атмосфере. Это грандиозное "загрязнение" атмосферы кислородом оставило свой след в геологическом строении Земли. Когда выделяемый прокариотами кислород окислил находящееся на поверхности планеты железо, Земля во многих местах покрылась красноватой ржавчиной - оксидами железа. Именно из оксидов железа состоят железные руды. Их мощные залежи и сегодня напоминают об этой эпохе. Постепенно кислорода стало в атмосфере так много, что анаэробные бактерии уступили место другим существам – с аэробным (кислородным) типом дыхания. Аэробные организмы используют для дыхания не СО₂, а молекулярный кислород. Вплоть до нашего времени длится геологическая эпоха, когда огромные количества кислорода постоянно расходуются на дыхание живых существ и горение. Интересно, что только теперь, спустя 2 миллиарда лет, совершенно точно выяснился "геологический смысл жизни" каждой отдельно взятой сине-зеленой водоросли, жившей в то время. Это живое существо должно было родиться здоровым, прожить как можно более долгую жизнь (чтобы выделить в атмосферу как можно больше кислорода), оставить после себя здоровое, полноценное потомство. Оно не должно было "обижать" других прокариот, чтобы и те могли выполнить такую же миссию, отведенную им природой. Иными словами, смысл жизни заключается в том, чтобы жить. Вероятно, это правило действует и поныне для всех живых существ. Не пройдет и одного-двух миллиардов лет, как выяснится "геологический смысл жизни" человечества. В чем он, этот смысл? Попробуйте подумать на эту тему (см. задачу 6.22 в конце этой главы). Но вернемся к атмосфере Земли. Каким же образом в нашу эпоху восполняются потери кислорода в природе? Это происходит благодаря растениям, которые сохранили способность под действием солнечных лучей (фотосинтетически) превращать углекислый газ и воду в кислород и углеводы (строительный материал клеток растений). Например, процесс образования в растениях углевода крахмала можно записать таким уравнением (здесь n – некое целое число, достаточно большое):

Вспомните предыдущую главу, где мы рассчитали потери кислорода  при работе сравнительно маломощного автомобильного двигателя, и вы поймете, почему лесные массивы зачастую называют легкими планеты. Очень важную роль играют и водоросли океана. Все растения Земли в течение года создают около 300 млрд. т кислорода. Таким образом, все блага и само существование человеческой цивилизации целиком зависят от зеленых растений.