O2 и O3 чем отличаются? Физические свойства

Простыми словами

И \(\mathrm{O_2}\), и \(\mathrm{O_3}\) — это кислород, просто собранный по-разному: в обычном кислороде в молекуле два атома, а в озоне — три. Из-за этого «кирпичика» другого размера и формы всё остальное у них тоже разное.

Как это выглядит и пахнет

• Кислород — бесцветный газ, запаха не имеет. Мы им дышим.
• Озон — газ со светло-синим оттенком и резким запахом. Тот самый «запах свежести» после грозы — это как раз озон.

Насколько тяжёлые Озон примерно в полтора раза тяжелее кислорода (и заметно тяжелее воздуха). Если бы у нас была колба с озоном, он бы «стекал» вниз, как более плотная жидкость. Кислород же лишь чуть-чуть тяжелее воздуха.

Когда превращаются в жидкость Озону, чтобы стать жидкостью, нужно не так сильно охлаждаться: он сжижается примерно при \(-112\,^\circ\mathrm{C}\), а кислород — только при \(-183\,^\circ\mathrm{C}\). Почему? Молекулы озона сильнее «липнут» друг к другу, и разорвать эти связи труднее, поэтому нужна более высокая температура.

Растворимость в воде Озон растворяется в воде лучше кислорода. Поэтому озонированием и обеззараживают воду — озон лучше «достаёт» до микробов.

Устойчивость Кислород спокойно себе существует. А озон непрочный: довольно быстро распадается обратно на \(\mathrm{O_2}\). Именно поэтому его нельзя долго хранить в запасе — он сам собой превращается в обычный кислород.

Как запомнить: \(\mathrm{O_2}\) — «спокойный, лёгкий, без запаха», \(\mathrm{O_3}\) — «тяжёлый, пахнущий, голубоватый и недолговечный». Всё это следствие одного: два атома или три.

Если совсем по-простому: \(\mathrm{O_2}\) и \(\mathrm{O_3}\) — это одно и то же вещество, кислород, но с разным «размером» молекулы. В обычном кислороде молекула из двух атомов, в озоне — из трёх. От этого и зависят физические свойства.

• Цвет и запах. Кислород бесцветный и без запаха. Озон голубоватый, с резким запахом — тот самый «запах свежести» после грозы.
• Масса и плотность. Молекула озона тяжелее, поэтому озон плотнее кислорода примерно в полтора раза и заметно тяжелее воздуха. Кислород же только чуть тяжелее воздуха.
• Переход в жидкость. Озону легче стать жидкостью: он сжижается при \(-112\,^\circ\mathrm{C}\), а кислород — при \(-183\,^\circ\mathrm{C}\). Значит, связи между молекулами озона прочнее, и их труднее «разорвать» охлаждением.
• Растворимость в воде. Озон растворяется лучше кислорода — поэтому им и обеззараживают воду.
• Жидкое состояние. Жидкий кислород бледно-голубой, жидкий озон — тёмно-синий.

То есть все различия в физических свойствах в основном из-за того, что молекула озона больше, тяжелее и сильнее притягивается к соседним молекулам, чем молекула кислорода. А то, что озон быстро распадается на \(\mathrm{O_2}\), — это уже химическое свойство, хотя оно тоже влияет на то, как озон ведёт себя в жизни.

Физические свойства \(\mathrm{O_2}\) и \(\mathrm{O_3}\) — таблица

Главная мысль: различия идут от строения — в озоне на один атом больше. Молекула получается тяжелее и сильнее притягивается к соседям, поэтому озон плотнее, легче сжижается и лучше растворяется в воде.

Своими словами, связным текстом

Кислород \(\mathrm{O_2}\) и озон \(\mathrm{O_3}\) — это по сути один и тот же химический элемент, но молекулы у них разные: в кислороде соединяются два атома, а в озоне — три. Поэтому и физические свойства у них отличаются, хотя оба — газы.

Начать с внешнего вида и запаха: кислород бесцветный и никак не пахнет, а озон имеет голубоватый оттенок и резкий запах — тот самый, который чувствуется после грозы. Озон тяжелее: его молекула массивнее, поэтому он плотнее кислорода примерно в полтора раза, и по воздуху он тоже тяжелее, тогда как кислород превышает воздух по плотности совсем немного.

Дальше — переход в жидкое состояние. Озону для этого нужно меньше охлаждения: он сжижается при \(-112\,^\circ\mathrm{C}\), а кислород — только при \(-183\,^\circ\mathrm{C}\). Значит, молекулы озона сильнее притягиваются друг к другу, и разорвать эти связи труднее. Жидкий кислород при этом бледно-голубой, а жидкий озон — тёмно-синий. Кроме того, озон лучше растворяется в воде, поэтому его используют для обеззараживания. А ещё озон непрочный: он довольно быстро распадается обратно на обычный кислород, а \(\mathrm{O_2}\) устойчив.

Вывод одной фразой: всё различие в физических свойствах объясняется тем, что молекула озона больше и тяжелее молекулы кислорода, поэтому озон плотнее, легче сжижается и лучше растворяется в воде.

Если речь о сере, то кристаллическая и пластическая сера — это две аллотропные модификации одного и того же вещества. Строение у них разное, поэтому и физические свойства отличаются.

Кристаллическая сера — это жёлтые твёрдые кристаллы. Они хрупкие, имеют чёткую температуру плавления — около \(113\,^\circ\mathrm{C}\) (у ромбической модификации). Плотность примерно \(2{,}07\ \mathrm{г/см^3}\). В воде она не растворяется, зато растворяется в сероуглероде \(\mathrm{CS_2}\). Кристаллическая сера устойчива: молекулы \(S_8\) в ней представляют собой замкнутые кольца, аккуратно уложенные в кристаллическую решётку.

Пластическая сера — это коричневая, похожая на резину масса. Её получают, если вылить расплавленную серу в холодную воду. Она мягкая, эластичная, может гнуться. Чёткой температуры плавления у неё нет: при нагревании она постепенно размягчается. Плотность меньше — около \(1{,}92\ \mathrm{г/см^3}\). В сероуглероде пластическая сера не растворяется. Со временем она становится хрупкой и постепенно превращается в кристаллическую.

Почему так: у кристаллической серы молекулы — замкнутые кольца \(S_8\), а у пластической — длинные переплетённые цепи. Поэтому кристаллическая сера твёрдая и хрупкая, а пластическая — мягкая и эластичная.

Коротко: кристаллическая — жёлтая, твёрдая, хрупкая, с чёткой температурой плавления, растворима в \(\mathrm{CS_2}\); пластическая — коричневая, мягкая, эластичная, без чёткой температуры плавления, в \(\mathrm{CS_2}\) не растворяется и со временем превращается в кристаллическую.

Кристаллическая и пластическая сера — своими словами

Это два разных состояния одного и того же вещества — серы. Они отличаются друг от друга не составом, а тем, как расположены молекулы, и поэтому ведут себя по-разному.

Кристаллическая сера выглядит как жёлтые твёрдые кристаллы. Они хрупкие: если надавить, расколются. У неё есть чёткая температура плавления — около \(113\,^\circ\mathrm{C}\), то есть при нагревании она сначала долго остаётся твёрдой, а потом резко плавится. В воде она не растворяется, зато хорошо растворяется в сероуглероде. Это её «нормальное», устойчивое состояние, поэтому она может храниться долго и не меняется.

Пластическая сера получается, если расплавленную серу вылить в холодную воду. Она коричневая и по виду напоминает резину: мягкая, эластичная, её можно гнуть и растягивать. Чёткой температуры плавления у неё нет — при нагревании она постепенно размягчается. Плотность у неё меньше, и в сероуглероде она не растворяется. Зато она неустойчива: со временем становится хрупкой и постепенно превращается в обычную кристаллическую серу.

Почему так происходит. У кристаллической серы молекулы собраны в аккуратные замкнутые кольца и уложены ровным слоем, как кирпичики, — поэтому она твёрдая и хрупкая. А у пластической серы молекулы образуют длинные переплетённые цепочки, как нитки в клубке, — поэтому она мягкая, тянется и гнётся.

Итог коротко: кристаллическая — жёлтая, твёрдая, хрупкая, с чёткой температурой плавления; пластическая — коричневая, мягкая, эластичная, плавится постепенно и со временем превращается в кристаллическую.

Своими словами про белую, красную и чёрную

Белая, красная и чёрная — это всё фосфор, просто его атомы соединены по-разному. Поэтому внешне и по свойствам они совсем не похожи.

Белая — мягкая, воскообразная, бесцветная или белая масса, хотя техническая обычно желтоватая. У неё есть запах, она легкоплавкая: плавится уже около \(44\,^\circ\mathrm{C}\), а кипит примерно при \(280\,^\circ\mathrm{C}\). В воде не растворяется, зато растворяется в сероуглероде. Белая очень активная, ядовитая и легко загорается на воздухе — примерно при \(40\,^\circ\mathrm{C}\), а в темноте может слабо светиться.

Красная — тёмно-красный порошок без запаха. Она гораздо твёрже и плотнее белой, плавится при обычном давлении плохо — при сильном нагревании скорее возгоняется или превращается в другие формы. В воде и сероуглероде не растворяется. Красная неядовита, гораздо менее активна и загорается только при сильном нагревании — около \(240\text{–}260\,^\circ\mathrm{C}\).

Чёрная — чёрная или серовато-чёрная кристаллическая форма, иногда с металлическим блеском. Она самая плотная и самая устойчивая из трёх, имеет слоистое строение, похожее на графит. В воде и сероуглероде не растворяется, загорается очень трудно и проводит электрический ток, но хуже металлов — это полупроводник.

Коротко: от белой к красной и чёрной фосфор становится темнее, плотнее и устойчивее, а его активность и ядовитость падают. Белая — мягкая, легкоплавкая и опасная; красная — твёрдый порошок, менее активный; чёрная — самая устойчивая и «похожая на графит».

Коротко: белый, красный и чёрный фосфор — это один и тот же химический элемент, но с разным строением. Представь, что из одинаковых кирпичиков сложили три разные конструкции: вещества одни и те же, а свойства получились разные.

Белый фосфор — мягкий, воскообразный, беловатый или желтоватый. Он легкоплавкий: плавится уже при \(44\,^\circ\mathrm{C}\), легко испаряется и очень легко загорается — примерно при \(30\text{–}40\,^\circ\mathrm{C}\). В воде не растворяется, зато растворяется в сероуглероде \(\mathrm{CS_2}\). Он самый активный, ядовитый и неустойчивый: на свету желтеет, а в темноте может слабо светиться.

Красный фосфор — тёмно-красный порошок, без запаха. Он гораздо твёрже и плотнее белого, плавится при обычном давлении плохо — при нагревании скорее возгоняется или переходит в другие формы. В воде и сероуглероде не растворяется. Он неядовит, менее активен и загорается только при сильном нагревании — около \(240\text{–}260\,^\circ\mathrm{C}\).

Чёрный фосфор — чёрный или серовато-чёрный, с металлическим блеском. Он самый плотный и самый устойчивый из трёх, имеет слоистое строение, похожее на графит. В воде и сероуглероде не растворяется, загорается очень трудно, но зато проводит электрический ток — это полупроводник.

Вывод: от белого к красному и чёрному фосфор становится темнее, плотнее, твёрже и устойчивее, а его активность и ядовитость падают. Белый — мягкий, легкоплавкий и опасный; красный — твёрдый порошок, менее активный; чёрный — самый устойчивый и «похожий на графит».

Своими словами, как ответ у доски

Белый, красный и чёрный фосфор — это не три разных вещества, а три формы одного и того же элемента. Отличаются они тем, как соединены атомы, а из-за этого по-разному выглядят и ведут себя.

Белый фосфор — мягкий, как воск, беловатый или желтоватый. Он очень легкоплавкий и легко испаряется, а главное — легко загорается, поэтому его хранят под водой. В воде не растворяется, но растворяется в сероуглероде. Он самый активный и ядовитый, а ещё неустойчивый: на свету темнеет.

Красный фосфор — тёмно-красный порошок без запаха. Он твёрже и плотнее белого, в воде и сероуглероде не растворяется. Он не ядовит, менее активен и загорается только при сильном нагревании, поэтому его используют, например, в спичечных коробках.

Чёрный фосфор — чёрный, с блеском, похож на графит. Он самый плотный и самый прочный, очень трудно воспламеняется и, в отличие от двух других форм, проводит электрический ток.

Вывод: чем «темнее» форма фосфора, тем она твёрже, плотнее и устойчивее, но менее активна. Белый — мягкий, легкоплавкий и самый опасный, красный — твёрдый и менее активный, чёрный — самый устойчивый и похож по свойствам на графит.

Своими словами

Белый, красный и чёрный фосфор — это три формы одного и того же элемента. Атомы у них одинаковые, но упакованы по-разному, поэтому и физические свойства получаются разными.

Белый фосфор — мягкий, воскообразный, беловатый или желтоватый. Он самый легкоплавкий: плавится уже при \(44\,^\circ\mathrm{C}\), легко испаряется и очень легко загорается. В воде не растворяется, зато растворяется в сероуглероде. На воздухе может слабо светиться. Он самый активный и ядовитый.

Красный фосфор — тёмно-красный порошок без запаха. Он твёрже и плотнее белого, в воде и сероуглероде не растворяется. Плавится очень трудно: при обычном нагревании скорее возгоняется. Загорается только при сильном нагревании, неядовит и менее активен.

Чёрный фосфор — чёрный, с блеском, похож на графит. Он самый плотный и устойчивый, очень трудно воспламеняется, в воде не растворяется и, в отличие от белого и красного, проводит электрический ток.

Коротко: от белого к красному и чёрному фосфор становится темнее, твёрже, плотнее и устойчивее, но менее активным. Белый — мягкий и легкоплавкий, красный — твёрдый порошок, чёрный — самый прочный и «похожий на графит».

Сразу уточню: кислород — не форма углерода. Алмаз, графит и фуллерен — это аллотропные модификации углерода, а кислород — отдельное простое вещество. Поэтому сравнение такое:

Своими словами: у алмаза атомы углерода собраны в очень прочный объёмный каркас — поэтому он твёрдый и прозрачный. У графита атомы уложены слоями, которые легко скользят друг по другу — поэтому графит мягкий и пишет. У фуллерена атомы собраны в отдельные молекулы-шары — поэтому это уже не сплошной кристалл, а молекулярное вещество, которое может растворяться. А кислород — газ, потому что его молекулы \(\mathrm{O_2}\) слабо притягиваются друг к другу и легко разлетаются.

Если вместо «кислород» вы имели в виду карбин, скажите — тогда сравню карбин с алмазом, графитом и фуллереном.

Важно: углерод — это химический элемент, а алмаз, графит и фуллерен — разные формы одного и того же углерода. Атомы у них одинаковые, но соединены по-разному, поэтому и физические свойства совсем разные.

Алмаз — прозрачные кристаллы, очень твёрдые: это самый твёрдый природный минерал. Он плотный, но хрупкий, не проводит электрический ток, очень тугоплавкий и не растворяется в воде. Атомы углерода в нём образуют прочный объёмный каркас, поэтому алмаз такой твёрдый.

Графит — тёмно-серый, мягкий и жирный на ощупь. Он легко расслаивается, потому что его атомы уложены слоями, и слои могут скользить друг по другу. Графит хорошо проводит электрический ток и тепло, поэтому из него делают электроды. Он тоже очень тугоплавкий и в воде не растворяется.

Фуллерен — это тёмный порошок или кристаллы, состоящие из молекул-«шаров» \(\mathrm{C_{60}}\). Он мягче алмаза, менее плотный, может растворяться в некоторых органических растворителях, например в толуоле. По электрическим свойствам фуллерен обычно ведёт себя как полупроводник.

Коротко: алмаз — самый твёрдый, прозрачный и не проводит ток; графит — мягкий, слоистый и хорошо проводит ток; фуллерен — состоит из отдельных молекул-шаров, темнее, мягче и может растворяться в органических растворителях. Всё различие — из-за разного расположения атомов углерода.

Своими словами, без таблицы

Углерод — это химический элемент, а алмаз, графит и фуллерен — три разные формы одного и того же углерода. Атомы везде одинаковые, но соединены по-разному, и именно из-за этого свойства получаются такими непохожими.

Алмаз — прозрачные кристаллы, которые красиво блестят. Он самый твёрдый из всех природных минералов: им можно поцарапать почти любое вещество, а его самого — практически ничем. При этом алмаз хрупкий, от удара может расколоться. Электрический ток он не проводит, зато очень хорошо проводит тепло, плавится при огромной температуре и в воде не растворяется. Всё потому, что каждый атом углерода в нём прочно связан с четырьмя соседними — получается очень жёсткий объёмный каркас.

Графит — тёмно-серый, мягкий и жирный на ощупь. Он легко расслаивается и пачкает руки, поэтому из него делают грифели карандашей и смазку. В отличие от алмаза, графит хорошо проводит электрический ток и тепло, поэтому из него делают электроды. Плавится он тоже при очень высокой температуре, в воде не растворяется. Секрет в строении: атомы собраны в слои, а слои легко скользят друг по другу — отсюда мягкость, а свободные электроны внутри слоёв дают проводимость.

Фуллерен — это уже не сплошной кристалл, а вещество из отдельных молекул-«шаров» \(\mathrm{C_{60}}\), похожих на футбольный мяч. Выглядит как тёмный порошок, мягче алмаза и легче графита. Он может растворяться в некоторых органических растворителях, например в толуоле, чего алмаз и графит делать не умеют. По электрическим свойствам ведёт себя как полупроводник, а плавится и испаряется легче, чем алмаз и графит.

Коротко для запоминания: алмаз — твёрдый, прозрачный, ток не проводит; графит — мягкий, серый, слоистый и ток проводит; фуллерен — «шарики» из молекул, темнее, мягче и умеет растворяться. А причина всех различий одна — разное расположение атомов углерода.

Своими словами — как рассказ у доски

Углерод — это элемент, а алмаз, графит и фуллерен — его разные формы. Атомы в них одни и те же, но расположены по-разному, поэтому и физические свойства отличаются.

Алмаз — прозрачные блестящие кристаллы. Он самый твёрдый среди природных минералов: им царапают другие материалы, а его самого почти ничем не поцарапаешь. Но при этом алмаз хрупкий — от сильного удара может расколоться. Электрический ток он не проводит, в воде не растворяется и плавится при очень высокой температуре.

Графит — тёмно-серый, мягкий, жирный на ощупь. Он легко расслаивается и пачкает руки, поэтому из него делают грифели карандашей. Зато графит хорошо проводит электрический ток и тепло — из него делают электроды. В воде он не растворяется и тоже очень тугоплавкий.

Фуллерен — это тёмный порошок из молекул-«шаров» \(\mathrm{C_{60}}\). Он мягче алмаза и легче графита, может растворяться в некоторых органических растворителях, например в толуоле. По электрическим свойствам ведёт себя как полупроводник.

В чём главная разница: алмаз твёрдый, прозрачный и ток не проводит; графит мягкий, серый, слоистый и ток проводит; фуллерен состоит из отдельных молекул-шаров, он темнее, мягче и умеет растворяться. Всё это следствие того, как именно соединены атомы углерода.

Своими словами

Углерод — это химический элемент, а алмаз, графит и фуллерен — три его разные формы. Атомы в них одинаковые, но «уложены» по-разному, и от этого зависят все физические свойства.

Алмаз. Прозрачные кристаллы, обычно с красивым блеском. Он самый твёрдый из природных минералов — им можно поцарапать почти любое вещество, а его самого практически ничем. Но при этом алмаз хрупкий: от сильного удара может расколоться. Электрический ток он не проводит, зато очень хорошо проводит тепло, в воде не растворяется и плавится при огромной температуре. Это потому, что каждый атом углерода в алмазе прочно связан с четырьмя соседними — получается очень жёсткий объёмный «каркас».

Графит. Тёмно-серый, мягкий, жирный на ощупь. Он легко расслаивается и пачкает руки — поэтому из него делают грифели карандашей и смазку. Зато графит хорошо проводит электрический ток и тепло, из него делают электроды. В воде не растворяется, тугоплавкий. Атомы в нём собраны в слои, и эти слои легко скользят друг по другу — отсюда мягкость, а свободные электроны внутри слоёв дают проводимость.

Фуллерен. Это уже не сплошной кристалл, а вещество из отдельных молекул-«шаров» \(\mathrm{C_{60}}\), похожих на футбольный мяч. Выглядит как тёмный порошок. Он мягче алмаза и легче графита, может растворяться в некоторых органических растворителях, например в толуоле, чего алмаз и графит делать не умеют. По электрическим свойствам ведёт себя как полупроводник.

В чём главная разница: алмаз — твёрдый, прозрачный, ток не проводит; графит — мягкий, серый, слоистый, ток проводит хорошо; фуллерен — состоит из молекул-шаров, темнее, мягче и умеет растворяться. А причина всех различий одна: по-разному расположены атомы углерода.

Своими словами, коротко и по сути

Алмаз, графит и фуллерен — это не разные элементы, а три «обличья» одного и того же углерода. Атомы везде одни и те же, разница только в том, как они друг с другом соединены. Отсюда и все различия в физических свойствах.

Алмаз — прозрачный, блестящий, самый твёрдый из природных минералов. Им царапают другие материалы, а его самого почти ничем. Но он хрупкий: от сильного удара может расколоться. Ток не проводит, в воде не растворяется, плавится при очень высокой температуре. Секрет — в прочном объёмном каркасе: каждый атом связан с четырьмя соседями со всех сторон.

Графит — тёмно-серый, мягкий, жирный на ощупь, пачкает руки. Поэтому из него делают грифели и смазку. Зато он хорошо проводит электрический ток и тепло — из него делают электроды. В воде не растворяется, тоже очень тугоплавкий. Причина мягкости в том, что атомы собраны в слои, а слои легко скользят друг по другу.

Фуллерен — тёмный порошок, состоящий из отдельных молекул-«шаров» \(\mathrm{C_{60}}\), похожих на футбольный мяч. Он мягче алмаза и легче графита, может растворяться в органических растворителях, например в толуоле, чего алмаз и графит не умеют. По электрическим свойствам ведёт себя как полупроводник, а плавится и испаряется легче двух других форм.

Главное для ответа: алмаз — твёрдый, прозрачный, ток не проводит; графит — мягкий, слоистый, ток проводит хорошо; фуллерен — «шарики» из молекул, темнее, мягче и умеет растворяться. Различие объясняется только расположением атомов углерода, а не разным составом.