Воздух — смесь газов, основную часть которой составляют азот и кислород. Кислород участвует в горении, дыхании и других процессах окисления. Разберём его свойства, образование оксидов и разделение воздуха, затем сравним кислород O₂ и озон O₃.

Для ученика и учителя: определения, примеры, задачи и разбор ошибок.

1. Воздух — смесь

Воздух окружает Землю и образует её газовую оболочку — атмосферу. У атмосферы нет резкой верхней границы: с высотой газ становится всё более разреженным. Воздух прозрачен, но имеет массу, занимает объём и оказывает давление. Движение воздуха мы ощущаем как ветер.

Воздух состоит из нескольких веществ. Их частицы перемешаны, но от смешивания не образуется одна новая молекула. В небольшой порции воздуха находятся молекулы азота N₂, кислорода O₂, углекислого газа CO₂ и атомы аргона Ar.

78% N₂ + 21% O₂ + около 1% других газов

Это округлённые объёмные доли сухого воздуха у поверхности Земли. В последнем проценте больше всего аргона; CO₂ — лишь небольшая часть. Азот при обычных условиях реагирует со многими веществами труднее кислорода, но считать его неспособным к реакциям нельзя.

Сухой воздух — воздух, в составе которого не учитывают водяной пар. Содержание водяного пара в реальном воздухе меняется. Схема 78 : 21 : 1 — удобное приближение, а не точный состав любого воздуха в любом месте.

2. Расчёты объёмной доли

Объёмная доля показывает, какую часть объёма газовой смеси составляет данный газ, если сравнивать объёмы при одинаковых температуре и давлении. Процент переводят в долю единицы: 21% = 0,21.

V(O₂) ≈ 0,21 × V(воздуха)

В 200 л сухого воздуха

Кислород: 200 × 0,21 = 42 л.
Азот: 200 × 0,78 = 156 л.
Другие газы: 200 × 0,01 = 2 л.
Проверка: 42 + 156 + 2 = 200 л.

Расчёт описывает состав смеси. Он не обещает, что реальная установка соберёт весь кислород без потерь. 21% по объёму не означает 21% по массе: для массовой доли нужен другой расчёт.

Обратная задача

Какой объём воздуха содержит примерно 63 л O₂? V(воздуха) ≈ 63 / 0,21 = 300 л. Все объёмы относятся к одинаковым условиям.

3. Элемент O и вещество O₂

Химический элемент кислород — вид атомов с зарядом ядра +8. Символ — O. Атомы кислорода входят в состав воды, оксидов и многих других соединений.

Кислород как простое вещество при обычных условиях состоит из двухатомных молекул O₂. Это бесцветный газ без запаха. Голубые шары в модели — условное обозначение, а не цвет газа.

Кислород ограниченно растворяется в воде. Рыба получает растворённый O₂ через жабры; она не разлагает молекулы H₂O. Вода и растворённый в ней кислород — разные вещества.

По прозрачности сосуда нельзя установить, какой газ внутри: многие газы бесцветны. Состав определяют подходящими измерениями и химическими пробами, а не по изображению.

4. Горение и его условия

При многих знакомых процессах горения топливо реагирует с кислородом. Образуются новые вещества, выделяется энергия, часто наблюдается свечение. Кислород в таких реакциях — окислитель, а не горючее вещество.

Для обычного горения нужны одновременно горючее вещество, доступ кислорода и достаточный нагрев. Если убрать одно условие, горение не сможет устойчиво продолжаться. Экранные переключатели не показывают точное время остывания или поведение реального пожара.

В чистом кислороде многие вещества горят интенсивнее, чем в воздухе: в том же объёме кислорода больше. Кислород при этом не становится топливом. Тлеющая лучинка может ярко разгореться в кислороде — это известная лабораторная проба, которую выполняют под руководством учителя.

Экранная модель предназначена для рассуждения. Она не задаёт порядок реального опыта с пламенем, кислородом или газовыми баллонами.

5. Быстрое и медленное окисление

В этой теме рассматриваем окисление как реакции с кислородом. Пламя не обязательно: железо во влажном воздухе постепенно ржавеет. Кислород, вода и металл участвуют в образовании новых веществ. Ржавчина имеет сложный состав, поэтому изображать её всегда одной формулой FeO неверно.

Оксид — соединение кислорода с другим элементом. Магний при взаимодействии с кислородом образует оксид магния MgO. При полном сгорании углерода получается CO₂. Условия имеют значение: при недостатке кислорода могут образовываться другие продукты.

2Mg + O₂ → 2MgO

Появление нового цвета или налёта может быть признаком превращения, но вывод делают по совокупности наблюдений. Защитное покрытие, отделяющее железо от воды и воздуха, может замедлить ржавление.

6. Как уравнять реакцию

В обычной химической реакции атомы перестраиваются в новые сочетания. Атомы одного элемента не превращаются в атомы другого и не исчезают. Число атомов каждого элемента слева и справа должно совпасть.

Запишем состав веществ: Mg + O₂ → MgO.
Слева два атома O, справа один. Поставим 2 перед MgO.
Справа стало два атома Mg. Поставим 2 перед Mg.
Проверим: по два атома Mg и O с обеих сторон.

Число перед формулой — коэффициент. Оно относится ко всей формуле. Запись 2MgO означает две формульные единицы: в счёте уравнения два атома Mg и два атома O. Нижний индекс внутри формулы задаёт состав вещества; при уравнивании его не меняют.

Коэффициенты 4 : 2 : 4 тоже сохраняют атомы, но все делятся на 2. Обычно выбирают наименьшие целые числа: 2 : 1 : 2. Кружки в модели помогают считать и не показывают механизм реакции.

7. Как получают кислород

Воздух уже содержит O₂. Один промышленный способ — разделить смесь, используя различие температур кипения. Воздух очищают, в том числе удаляют воду и CO₂, затем сжимают и сильно охлаждают. Компоненты сжиженного воздуха разделяют многократным испарением и конденсацией — ректификацией.

При нормальном атмосферном давлении чистый азот кипит примерно при −196 °C, чистый кислород — при −183 °C. При −190 °C отдельный равновесный образец чистого N₂ будет газообразным, а отдельный образец чистого O₂ — жидким.

Состояния азота и кислорода при охлаждении

При −200 °C оба образца жидкие. Около −196 °C для N₂ показаны две фазы; выше — газ. Для O₂ переход находится около −183 °C. При −175 °C оба образца газообразные. В каждом сосуде остаётся 80 условных маркеров.

Температуры округлены; размеры и расположение маркеров условны. Модель сравнивает два чистых вещества, а жидкий воздух — смесь. Состав жидкости и пара в ходе разделения меняется. Нельзя считать, что весь азот мгновенно выходит из воздуха при −196 °C, оставляя совершенно чистый кислород.

Кислород можно получать и химически, например разложением пероксида водорода:

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

Здесь появляются новые вещества. При разделении воздуха извлекают уже существующие молекулы O₂. Уравнение разложения — описание превращения, а не инструкция самостоятельного опыта.

8. Кислород в живом мире

При кислородном дыхании клетки используют O₂ в превращениях органических веществ. Энергия высвобождается в ходе реакций и используется клеткой. Сам кислород не является запасом пищевой энергии и не заменяет пищу.

Упрощённая суммарная запись кислородного окисления глюкозы:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O

Это итог многих стадий, не одно столкновение. Проверка: с каждой стороны 6 атомов C, 12 атомов H и 18 атомов O.

Зелёные растения, водоросли и некоторые бактерии используют энергию света при фотосинтезе. При кислородном фотосинтезе O₂ выделяется из воды. Растения также дышат, и дыхание продолжается днём и ночью. Вопрос «растение производит или расходует кислород?» требует уточнить процесс.

Водоём получает O₂ при газообмене с воздухом и благодаря фотосинтезу. Растворённый кислород расходуется на дыхание и другие реакции. Большая масса воды сама по себе не гарантирует достаточно O₂ для рыб.

9. Воздух был другим

На ранней Земле свободного O₂ в атмосфере было очень мало. Микроорганизмы, способные к кислородному фотосинтезу, выделяли его задолго до современного мира растений. Часть кислорода сначала расходовалась на реакции с веществами океана и горных пород.

Около 2,4 млрд лет назад началось заметное устойчивое увеличение содержания кислорода в атмосфере. Это не дата мгновенного появления современных 21%. Изменения продолжались очень долго; доля O₂ различалась в разные эпохи.

Круговорот связывает образование и расход кислорода. Атомы могут переходить из воды в O₂, затем в другие соединения. Не нужно представлять, что одна неизменная молекула O₂ проходит весь круг.

10. Применение и качество воздуха

В производстве стали кислород помогает окислять углерод и другие примеси. В медицине кислородную поддержку назначают по показаниям под контролем специалистов. Повышение доли кислорода не является универсальным способом улучшить обычное дыхание.

Прозрачность не равна чистоте: некоторые загрязнители невидимы. Запах тоже не измеряет состав. Качество воздуха оценивают по измерениям конкретных веществ и частиц.

Озон O₃ и кислород O₂ — разные простые вещества одного элемента. В молекуле озона три атома. В верхних слоях атмосферы озон поглощает часть ультрафиолетового излучения; у поверхности Земли он относится к загрязнителям. Больше озона у земли не означает «больше полезного кислорода».

11. Типичные ошибки

«В воздухе больше всего кислорода».: Больше всего азота. Кислорода примерно пятая часть.
«Другой 1% — целиком CO₂».: В нём больше всего аргона; CO₂ — небольшая часть.
«Кислород горит».: В этих реакциях он поддерживает горение, реагируя с топливом.
«Рыба разбирает воду, чтобы получить O₂».: Она использует отдельные молекулы растворённого O₂.
«Коэффициент можно заменить индексом».: Индекс изменит состав вещества. Коэффициент меняет число частиц или формульных единиц в счёте реакции.
«Чистые газы кипят так же, как их смесь».: Для разделения смеси нужно учитывать меняющийся состав пара и жидкости.

12. Проверь себя

Почему воздух — смесь, а O₂ — простое вещество?
Сколько литров O₂ и N₂ примерно содержится в 500 л сухого воздуха?
Какой объём сухого воздуха содержит около 84 л O₂?
Уравняй Mg + O₂ → MgO. Почему нельзя заменить MgO на MgO₂?
Чем разделение воздуха отличается от разложения H₂O₂?
В каком состоянии отдельные чистые N₂ и O₂ при −190 °C и нормальном давлении?
Почему фраза «растения только выделяют кислород» неверна?
Доказывает ли отсутствие запаха и цвета чистоту воздуха?

Ответы и рассуждения

1. В воздухе несколько веществ; в O₂ атомы только одного элемента.
2. O₂: 500 × 0,21 = 105 л. N₂: 500 × 0,78 = 390 л. Другие газы — около 5 л.
3. 84 / 0,21 = 400 л при одинаковых условиях.
4. 2Mg + O₂ → 2MgO. MgO₂ имеет другой состав.
5. Из воздуха отделяют существующий O₂; при разложении образуются новые вещества.
6. N₂ — газ, O₂ — жидкость: сравниваем с температурами кипения.
7. Растения также дышат и расходуют O₂. Это другой процесс.
8. Нет. Для оценки примесей нужны измерения.

13. Заметки для учителя

Результат: ученик различает воздух и кислород, элемент O и вещество O₂; называет доли сухого воздуха; объясняет роль O₂ в горении и дыхании; связывает разделение смеси с физическими свойствами и сохраняет атомы при уравнивании.

Маршрут на 45 минут: 5 минут — предположения о воздухе; 7 — состав и расчёт долей; 8 — свойства и горение; 8 — баланс Mg/O; 7 — температуры кипения и разделение; 5 — живой мир и применение; 5 — итог. Историю атмосферы и дополнительные задачи можно вынести на второе занятие.

Попросите объяснить, почему −190 °C выше −196 °C, но ниже −183 °C. Отдельно назовите содержимое двух сосудов: чистые вещества. Для различения O₂ и H₂O полезно нарисовать обе молекулы и посчитать атомы.

Поддержка: таблица 78 : 21 : 1, счёт атомов кружками, списки вместо перетаскивания. Усложнение: обратный расчёт объёма, сокращение коэффициентов, сравнение физического разделения и химического получения.

Оценивайте рассуждение, не только выбранную кнопку. Задания доступны с клавиатуры. На телефоне движение отключено. Состояние переносится между языками и чтением, если доступно хранилище браузера. Три 3D-превью предназначены для будущих моделей; готовых сцен пока нет.

← К интерактивам

Из чего состоит воздух и как действует кислород

Интерактивная версия: задания, 3D-сцены, видео