Најважније из лекције
Алотропи: \(\text{O}_2\) (гас без боје и мириса) и \(\text{O}_3\) (озон, плавичаст гас карактеристичног мириса).
Бинарна једињења кисеоника:
Агрегатна стања: Оксиди метала су јонске кристалне супстанце (чврсте на СТП), док су оксиди неметала ковалентни и могу бити гасовити (\(\text{CO}_2\)), течни (\(\text{H}_2\text{O}\)) или чврсти (\(\text{SiO}_2\)).
Бинарна једињења кисеоника:
- Оксиди: окс. број \(-2\) (\(\text{Li}_2\text{O}\), \(\text{CaO}\), \(\text{CO}_2\)).
- Пероксиди: окс. број \(-1\), веза \(-\text{O}-\text{O}-\) (\(\text{Na}_2\text{O}_2\), \(\text{BaO}_2\), \(\text{H}_2\text{O}_2\)).
- Супероксиди: окс. број \(-\frac{1}{2}\), јон \(\text{O}_2^-\) (\(\text{KO}_2\), \(\text{RbO}_2\), \(\text{CsO}_2\)).
Агрегатна стања: Оксиди метала су јонске кристалне супстанце (чврсте на СТП), док су оксиди неметала ковалентни и могу бити гасовити (\(\text{CO}_2\)), течни (\(\text{H}_2\text{O}\)) или чврсти (\(\text{SiO}_2\)).
Алотропија је појава да се исти хемијски елемент јавља у више различитих облика у елементарном стању.
Кисеоник гради две алотропске модификације:
- Кисеоник (\(\text{O}_2\)) – двоатомни молекул, гас без боје и мириса, неопходан за дисање и сагоревање.
- Озон (\(\text{O}_3\)) – троатомни молекул, гас плавичасте боје и карактеристичног оштрог мириса.
Која је разлика у саставу и физичким својствима између кисеоника и озона?
Молекул кисеоника се састоји од два атома (\(\text{O}_2\)) и то је гас без боје и мириса, док се молекул озона састоји од три атома (\(\text{O}_3\)), плавичасте је боје и има карактеристичан мирис.
Кисеоник са другим елементима гради три главне врсте бинарних једињења која се разликују по структури и оксидационом броју кисеоника.
| Класа једињења | Оксидациони број кисеоника | Карактеристична веза / јон | Примери |
|---|---|---|---|
| Оксиди | \(-2\) | Оксидни јон \(\text{O}^{2-}\) или поларна ковалентна веза | \(\text{Na}_2\text{O}\), \(\text{CaO}\), \(\text{CO}_2\), \(\text{Al}_2\text{O}_3\) |
| Пероксиди | \(-1\) | Пероксидна група са једноструком везом: \(-\text{O}-\text{O}-\) односно \(\text{O}_2^{2-}\) | \(\text{Na}_2\text{O}_2\), \(\text{BaO}_2\), \(\text{H}_2\text{O}_2\) |
| Супероксиди | \(-\frac{1}{2}\) | Супероксидни јон \(\text{O}_2^-\) | \(\text{KO}_2\), \(\text{RbO}_2\), \(\text{CsO}_2\) |
Калијум-супероксид (\(\text{KO}_2\)) се користи за регенерацију ваздуха у подморницама и свемирским летелицама. Он реагује са \(\text{CO}_2\) и влагом из издахнутог ваздуха при чему се ослобађа кисеоник:
\[ 4\text{KO}_2 + 2\text{CO}_2 \rightarrow 2\text{K}_2\text{CO}_3 + 3\text{O}_2 \]
Производ реакције директне синтезе зависи од природе елемента и реакционих услова (температуре, количине кисеоника).
Реакције алкалних и земноалкалних метала са кисеоником:
- Литијум гради оксид: \[ 4\overset{0}{\text{Li}} + \overset{0}{\text{O}_2} \rightarrow 2\overset{+1}{\text{Li}}_2\overset{-2}{\text{O}} \]
- Натријум претежно гради пероксид: \[ 2\overset{0}{\text{Na}} + \overset{0}{\text{O}_2} \rightarrow \overset{+1}{\text{Na}}_2\overset{-1}{\text{O}_2} \]
- Калијум, рубидијум и цезијум граде супероксиде: \[ \overset{0}{\text{K}} + \overset{0}{\text{O}_2} \rightarrow \overset{+1}{\text{K}}\overset{-\frac{1}{2}}{\text{O}_2} \]
- Земноалкални метали граде оксиде, изузев баријума који гради пероксид: \[ \overset{0}{\text{Ba}} + \overset{0}{\text{O}_2} \rightarrow \overset{+2}{\text{Ba}}\overset{-1}{\text{O}_2} \]
Реакције неметала са кисеоником:
Неметали граде ковалентне оксиде. Ако елемент има више оксидационих стања, производ зависи од количине кисеоника:
Неметали граде ковалентне оксиде. Ако елемент има више оксидационих стања, производ зависи од количине кисеоника:
- Непотпуно сагоревање угљеника (недостатак кисеоника): \[ 2\overset{0}{\text{C}} + \overset{0}{\text{O}_2} \rightarrow 2\overset{+2}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}} \quad (\text{угљеник(II)-оксид}) \]
- Потпуно сагоревање угљеника (вишак кисеоника): \[ \overset{0}{\text{C}} + \overset{0}{\text{O}_2} \rightarrow \overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_2} \quad (\text{угљеник(IV)-оксид}) \]
Оксидацијом (додатним сагоревањем) оксида неметала или метала у нижем оксидационом стању:
\[ 2\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}_2 \]
Жарењем карбоната метала настају оксид метала и угљеник(IV)-оксид:
\[ \text{CaCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{CaO} + \text{CO}_2 \]
\[ \text{K}_2\text{CO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{K}_2\text{O} + \text{CO}_2 \]
Жарењем нерастворних или слабо растворних хидроксида метала настају оксид метала и вода:
\[ 2\text{Al(OH)}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O} \]
Физичка својства оксида зависе од природе хемијске везе и међумолекулских сила:
- Оксиди метала: Због јаке јонске везе (или високог удела јонског карактера везе) на стандардној температури и притиску (СТП) су у чврстом агрегатном стању и имају високе температуре топљења (нпр. \(\text{CaO}\), \(\text{Al}_2\text{O}_3\), \(\text{Cr}_2\text{O}_3\), \(\text{FeO}\)).
- Оксиди неметала: Имају ковалентну везу и могу бити у сва три агрегатна стања на СТП:
- Гасовити: молекули малих маса и слабих међумолекулских интеракција (\(\text{CO}\), \(\text{CO}_2\), \(\text{SO}_2\), \(\text{NO}_2\)).
- Течни: \(\text{H}_2\text{O}\), \(\text{SO}_3\) (на нижим температурама).
- Чврсти: молекули већих маса или атомске кристалне решетке (\(\text{SiO}_2\), \(\text{P}_4\text{O}_{10}\)).
Оксиди се такође разликују по боји, растворљивости и хемијској реактивности према води.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Одредити оксидациони број кисеоника у следећим једињењима: \(\text{BaO}\), \(\text{H}_2\text{O}_2\), \(\text{CsO}_2\) и \(\text{CO}_2\).
- \(\text{BaO}\) (баријум-оксид): оксидациони број кисеоника је \(-2\)
- \(\text{H}_2\text{O}_2\) (водоник-пероксид): оксидациони број кисеоника је \(-1\)
- \(\text{CsO}_2\) (цезијум-супероксид): оксидациони број кисеоника је \(-\frac{1}{2}\)
- \(\text{CO}_2\) (угљеник(IV)-оксид): оксидациони број кисеоника је \(-2\)
Задатак 2 (средњи): Написати једначине хемијских реакција сагоревања:
а) литијума у кисеонику
б) натријума у кисеонику
в) угљеник(II)-оксида у кисеонику
а) \(4\text{Li} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Li}_2\text{O}\) (настаје литијум-оксид)
б) \(2\text{Na} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{O}_2\) (настаје натријум-пероксид)
в) \(2\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}_2\) (настаје угљеник(IV)-оксид)
а) литијума у кисеонику
б) натријума у кисеонику
в) угљеник(II)-оксида у кисеонику
а) \(4\text{Li} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Li}_2\text{O}\) (настаје литијум-оксид)
б) \(2\text{Na} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{O}_2\) (настаје натријум-пероксид)
в) \(2\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}_2\) (настаје угљеник(IV)-оксид)
Задатак 3 (средњи): Написати једначине термичког разлагања (жарења):
а) калцијум-карбоната (\(\text{CaCO}_3\))
б) алуминијум-хидроксида (\(\text{Al(OH)}_3\))
а) \(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{CaO} + \text{CO}_2\)
б) \(2\text{Al(OH)}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}\)
а) калцијум-карбоната (\(\text{CaCO}_3\))
б) алуминијум-хидроксида (\(\text{Al(OH)}_3\))
а) \(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{CaO} + \text{CO}_2\)
б) \(2\text{Al(OH)}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}\)
Задатак 4 (тежак): Објаснити зашто се \(\text{KO}_2\) користи за пречишћавање и регенерацију ваздуха у затвореним системима (подморнице, свемирске летелице). Написати одговарајућу хемијску једначину и одредити промену оксидационих бројева кисеоника у тој реакцији.
Калијум-супероксид је погодан јер истовремено везује токсичан/непожељан угљеник(IV)-оксид из издахнутог ваздуха и ослобађа елементарни кисеоник (\(\text{O}_2\)) неопходан за дисање.
Једначина реакције: \[ 4\overset{+1}{\text{K}}\overset{-\frac{1}{2}}{\text{O}_2} + 2\overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_2} \rightarrow 2\overset{+1}{\text{K}}_2\overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}}_3 + 3\overset{0}{\text{O}_2} \] Кисеоник из супероксидног јона (оксидациони број \(-\frac{1}{2}\)) се истовремено оксидује до елементарног кисеоника (\(\overset{0}{\text{O}_2}\)) и редукује до карбонатног кисеоника (\(\overset{-2}{\text{O}}\) у \(\text{K}_2\text{CO}_3\)).
Једначина реакције: \[ 4\overset{+1}{\text{K}}\overset{-\frac{1}{2}}{\text{O}_2} + 2\overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_2} \rightarrow 2\overset{+1}{\text{K}}_2\overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}}_3 + 3\overset{0}{\text{O}_2} \] Кисеоник из супероксидног јона (оксидациони број \(-\frac{1}{2}\)) се истовремено оксидује до елементарног кисеоника (\(\overset{0}{\text{O}_2}\)) и редукује до карбонатног кисеоника (\(\overset{-2}{\text{O}}\) у \(\text{K}_2\text{CO}_3\)).
