Tlen Występowanie i odmiany alotropowe Otrzymywanie tlenu Właściwości fizyczne i chemiczne Związki tlenu – tlenki, nadtlenki i ponadtlenki

Ogólna charakterystyka tlenowców Tlenowce: obejmują pierwiastki grypy 16, tlen, siarka i selen są niemetalami, tellur – półmetal, polon – metal Promień atomowy tlenowców: wzrasta w grupie wraz ze wzrostem liczby atomowej Z, promień atomowy tlenu jest mniejszy od promienia atomowego azotu lecz większy od promienia atomowego fluoru Energia jonizacji: maleje w grupie wraz ze wzrostem liczby atomowej Z Stopnie utlenienia: tlen –II, [wyjątki +II (OF2) lub +I (O2F2), -I w nadtlenkach, -1/2 w ponadtlenkach], pozostałe pierwiastki +VI, +IV, -II Wraz ze wzrostem liczby atomowej Z trwałość stopnia utlenienia maleje z +VI do +IV, dla Po najtrwalszy +IV

Ogólna charakterystyka tlenowców Związki tlenowców z litowcami i berylowcami są związkami jonowymi, z pozostałymi pierwiastkami tworzy związki kowalencyjne lub związki o wiązaniach kowalencyjnych spolaryzowanych Tlenki o ogólnych wzorach EO2 i EO3 mają charakter kwasowy lub amfoteryczny, H2O jest związkiem amfoterycznym, Wodorki tlenowców o ogólnym wzorze H2E mają charakter kwasowy

Tlen Występowanie: w stanie wolnym w powietrzu atmosferycznym, w stanie związanym H2O, w minerałach (sole kwasów tlenowych, wodorotlenki, kwasy, tlenki) w związkach organicznych Odmiany alotropowe: Tlen cząsteczkowy O2- gaz bezbarwny, bezwonny, bez smaku, skroplony jest niebieskawą cieczą, zestalony tworzy niebieskie kryształy, słabo rozpuszcza się w wodzie, cząsteczka posiada dwa niesparowane elektrony i jest paramagnetykiem (podatny na oddziaływanie pola magnetycznego) Ozon O3 – gaz o orzeźwiającej woni, barwy niebieskiej, skroplony przechodzi w ciemnoniebieską ciecz, zestalony tworzy czarnofioletowe kryształy, znacznie lepiej rozpuszcza się w wodzie niż O2, cząsteczka jest polarna, ma budowę kątową (ok. 117o), cząsteczka jest diamagnetyczna (nie posiada niesparowanych elektronów)

O · · O Skroplony tlen cząsteczkowy Paramagnetyczna cząsteczka O2 Diamagnetyczna cząsteczka O3

Tlen cząsteczkowy O2 K(-): 2H2O + 2e-  H2 + 2OH- Otrzymywanie na skalę przemysłową: destylacja frakcjonowana skroplonego powietrza (Tw = -182,96oC), elektroliza elektrolitów (np. KOH, NaCl, Na2SO4) oraz wody K(-): 2H2O + 2e-  H2 + 2OH- A(+): 2H2O  O2 + 4H+ + 4e- Otrzymywanie metodami laboratoryjnymi: Termiczny rozkład 2KMnO4  K2MnO4 + MnO2 + O2 2KClO3  2KCl + 3O2 2HgO  2Hg + O2 Katalityczny rozkład nadtlenku wodoru w obecności MnO2 2H2O2  H2O + O2 Utlenianie H2O2 zakwaszonym roztworem KMnO4 5H2O2 + 2KMnO4 + 3H2SO4  5O2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O

Tlen cząsteczkowy O2 Tlen jest silnym utleniaczem, w temp. pokojowej reaguje z litowcami i niektórymi berylowcami oraz z białym fosforem, w temp. podwyższonej reaguje z wszystkimi pierwiastkami (z wyjątkiem fluoru i platyny) oraz związkami organicznymi i nieorganicznymi W łuku elektrycznym (wyładowania atmosferyczne) reaguje z fluorem, powstaje fluorek tlenu(I) F2 + O2  O2F2

Ozon – O3 Powstawanie: w łuku elektrycznym (ozonizatory), w trakcie wyładowań atmosferycznych, w trakcie pracy kserokopiarek Ozon skroplony lub zestalony po potarciu lub wstrząśnięciu rozkłada się wybuchowo: O3  O2 + O Ozon jest silniejszym utleniaczem od tlenu cząsteczkowego, utlenia związki: Mn2+ do Mn4+ (MnO2), H2S do SO2 lub H2SO4, NH3 do NH4NO3, Ag i Hg do tlenków, litowce i berylowce do ozonków 8Ag + 2O3  4Ag2O + O2 Na + O3  NaO3

Ozon w atmosferze 2*NO2 + 2O3  N2O5 + *NO + 2O2 Powstawanie ozonu pod wpływem uv O2  2O; O2 + O  O3 Rozkład ozonu przez zanieczyszczenie atmosferyczne (NO, NO2, freony - CF2Cl2, HCl: * - reakcja z udziałem rodnika ) *NO + O3  *NO2 + O2 2*NO2 + 2O3  N2O5 + *NO + 2O2 CF2Cl2  *CF2Cl + *Cl (pod wpływem uv) Cl* + O3  ClO* + O2 ClO*+ O3  2O2 + Cl* 2ClO* Cl2 + O2 Cl2  2Cl* (pod wpływem uv) Cl2 + O3  ClO* + Cl*+ O2

Ważniejsze związki tlenu Tlenki: Tlenki metali i półmetali są substancje stałymi Tlenki niemetali mogą mieć stan skupienia (warunki normalne): gazowy (NO, NO2, SO2, CO, CO2); ciekły (H2O); stały (N2O5, P4O10, SiO2) Otrzymywanie tlenków: 1. Synteza z pierwiastków 2Ca + O2  2CaO C + O2  CO2 2H2 + O2  2H2O

Ważniejsze związki tlenu – tlenki Otrzymywanie tlenków - cd: 2. Termiczny rozkład niektórych wodorotlenków Cu(OH)2  CuO + H2O 2Al(OH)3  Al2O3 + 3H2O 3. Termiczny rozkład niektórych soli CaCO3  CaO + CO2 4. Termiczny lub fotochemiczny rozkład niektórych kwasów tlenowych H2CO3  CO2 + H2O 4HNO3  O2 + 4NO2 + 2H2O 5. Redukcja lub utlenienie innych tlenków 2NO + O2  2NO2 Fe2O3 + CO  2FeO + CO2

Ważniejsze związki tlenu – tlenki Otrzymywanie tlenków - cd: 6. Utlenianie innych związków - wodorków, soli 4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O 2PbS + 3O2  PbO + 2SO2 7. Reakcje wymiany (np. r. redox – redukcji tlenków metali metalami o niższych potencjałach standardowych) Cr2O3 + 2Al  Al2O3 + 2Cr 8. Redukcja kwasów utleniających przez metale o dodatnich potencjałach standardowych HNO3(rozc) + 3Cu  3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O 2HNO3(stęż) + Ag  AgNO3 + NO2 + H2O 2H2SO4(stęż) + Hg  HgSO4 + SO2 + 2H2O

Ważniejsze związki tlenu – tlenki, nadtlenki i ponadtlenki Otrzymywanie tlenków - cd: 9. Utlenianie soli silnymi utleniaczami 2KMnO4 + 3Na2SO3 +H2O  2MnO2 + Na2SO4 + 2KOH 10. Inne specyficzne reakcje Na2SO3(s) + 2HCl  2NaCl + SO2 + H2O CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + CO2 + H2O H2SO4 HCOOH CO + H2O Nadtlenki – tlen występuje na stopniu utlenienia –I (anion O2-) (H2O2, Na2O2, BaO2), w cząsteczkach występuje mostek tlenowy, nadtlenki litowców i berylowców są związkami jonowi, wykazują silne właściwości utleniające Na2O2 + 2H2O  2NaOH + H2O2 BaO2 + 2HCl  BaCl2 + H2O2 Ponadtlenki – tlen występuje na stopniu utl. -1/2 (anion O21/2-), np. KO2

Klasyfikacja tlenków ze względu na właściwości chemiczne 1. Tlenki kwasowe: Niereagujące z wodą, ale reagujące z mocnymi zasadami SiO2 + H2O  nie zachodzi SiO2 + 2KOH  K2SiO3 + H2O Reagujące z zasadami i wodą SO3 + H2O  H2SO4 SO3 + Ca(OH)2  CaSO4 + H2O 2. Tlenki zasadowe Niereagujące z wodą, ale reagujące z kwasami CrO + H2O  nie zachodzi CrO + H2SO4  CrSO4 + H2O Reagujące z wodą i reagujące z kwasami K2O + H2O  2KOH K2O + 2HNO3  2KNO3 + H2O

Klasyfikacja tlenków ze względu na właściwości chemiczne Tlenki amfoteryczne: reagujące zarówno z kwasami, jak i z zasadami, ale nie muszą reagować z wodą ZnO + H2O  nie zachodzi ZnO + 2HCl  ZnCl2(aq) + H2O ZnO + KOH + H2O  K[Zn(OH)3](aq) ZnO + 2KOH + H2O  K2[Zn(OH)4](aq) Tlenki obojętne: niereagujące z wodą, zasadami i kwasami, ale mogą być rozpuszczalne w wodzie (CO, NO, N2O) Tlenki kwasowe mogą reagować z tlenkami zasadowymi Na2O + SO3  Na2SO4 CaO + CO2  CaCO3

Zmiana właściwości kwasowo - zasadowych tlenków metali bloku d Tlenek Charakter chemiczny IICrO zasadowy IIMnO IIICr2O3 amfoteryczny IVMnO2 VICrO3 kwasowy VIIMn2O7 wzrost charakteru kwasowego wzrost charakteru kwasowego CrO Cr2O3 CrO3 MnO MnO2 Mn2O7 wzrost charakteru zasadowego wzrost charakteru zasadowego Wraz ze wzrostem stopnia utlenienia metalu zmienia się charakter wiązania chemicznego metal – tlen z jonowego (stąd właściwości zasadowe) na wiązanie kowalencyjne (stąd tlenki mają właściwości zbliżone do tlenków niemetali – właściwości kwasowe)