Восьмой по счету химический элемент таблицы Менделеева - кислород ; его атомная масса равна 15,999. Он - самый распространен-ный на Земле элемент; в атмосфере его 21 процент, в твердой оболочке Земли - 47 процентов; в океанах - 86 процентов.
В нормальных условиях кислород - газ; температура кипения сжиженного кислорода равна минус 182,9 градуса Цельсия, а температура перехода из твердого состояния в жидкое - минус 218,7 градуса. В воздухе атмосферы атомы кислорода объединяются в молекулы; по два атома в каждой. Известна аллотропическая модификация кислоро-да - озон, молекула которого состоит из трех атомов. Озон возникает при воздействии ультрафиолетового излучения и при проскакивании электрического разряда (молнии).
Кислород химически очень активен; по своей активности он уступает только фтору. Он соединяется практически со всеми элементами, исключая инертные газы. В соединениях с металлами он проявляет переменную и даже дробную валентность. Почти все реакции с участием кислорода относятся к типу экзотермических, то есть происходят с выделением тепла или даже света, а соединение с водородом происходит даже в форме взрыва. Еще более активен озон.
Из соединений кислорода наиболее известна вода, молекула которой состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода; водород разнесен в молекуле на угол 104,5 градуса. Вода, больше известная как жидкость, входит основной составной частью в минералы, где предстает уже в твердом виде. Жидкая вода закипает при 100 градусах и замерзает при нуле градусов по Цельсию. В жидком состоянии вода имеет малую вязкость и большую теплоемкость. Известно, что в сплошной массе молекулы воды могут диссоциировать, то есть распа-даться на составляющие атомы. Вода - хороший растворитель.
С углеродом кислород образует углекислый газ, молекула которого содержит один атом углерода и два атома кислорода; при недостатке кислорода образуется угарный газ, молекула которого содержит уже по одному атому того или другого элемента.
Самую большую химическую активность кислород проявляет в составе кислот. Он объединяется в них с азотом, серой, фосфором и другими элементами; замыкают молекулы кислот атомы водорода. Водные растворы кислот разъедают практически все металлы. Атомарный кислород тоже разъедает металлы, образуя окислы, но действует менее активно.
Топология атома кислорода продолжает ту же треугольную тему, что была начата атомом азота: исходное кольцотор деформируется с трех сторон, выступы вытягиваются, шнуры сближаются; и заканчивается первый этап образования трехлучевой звезды с петлями на концах лучей. У азота такая звезда некоторое время сохраняется плоской и в такой форме успевает за это время найти себе подобную и присосаться к ней, образуя двухатомную молекулу.
Размеры исходного тора атома кислорода несколько больше: номинальная длина его шнура составляет 29 400 эфирных шариков, то есть на 3700 шариков длиннее, чем у азота; поэтому возникает некоторая коррекция топологии атома. Одновременно с вытягиванием концов звезды происходит их сближение и закручивание; сблизившиеся любые два лепестка образуют между собой еще одну, вторичную петлю, а оставшийся в одиночестве третий лепесток заворачивается, создавая внешний присасывающий желоб, и накрывает ее своей петлей; это - второй промежуточный этап топологии атома кислорода.
На третьем, последнем этапе сблизившиеся два лепестка сначала поворачиваются друг к другу «лицом», то есть присасывающими сторонами, слипаются насколько это возможно, а затем загибаются и упираются макушками своих петель в присасывающий желоб завернувшегося одиночного лепестка; на этом топология одиночного атома кисло-рода завершается.
Что же в конце концов получилось? А получилась в некотором роде уникальная форма атома: своим контурным, открытым наружу присасывающим желобом он похож на атом металла, но все же это - не металл; все его загнутые части оказываются напряженными, и по этой причине они неустойчивы, и атом пульсирует, создавая вокруг себя стоячее тепловое поле; значит, он - пушист, и эта пушистость не позволяет ему соединиться с такими же атомами, как он сам, и образовать металлическое тело. Если же он все же соединится с ними, например при образовании молекул, то происходит это с разгибом спаренных лепестков и с разворотом их петель, то есть с разрывом замкнутого контурного желоба. Получается так, что, пока атом кислорода находится в одиночестве, он - металл, а когда соединяется с другими атомами, то - уже не металл.
Молекула кислорода состоит из двух атомов, объединившихся путем слипания петель спаренных лепестков и примыкающих к ним при-сасывающих желобов. Молекула также пушиста: слипанию атомов в ней противодействуют их закрученные как пружины одиночные лепестки, и это противодействие порождает ее пульсацию, выражающуюся в том, что слипшиеся парные лепестки будут периодически выдвигаться из молекулы - удлиняясь, и убираться внутрь - укорачиваясь.
Соединение кислорода с водородом образует воду: в результате сильного теплового воздействия молекула кислорода распадается на атомы; их освободившиеся петли, не успев развернуться и слипнуться между собой, тотчас заполняются колечками атомов водорода; возникает знаменитая молекула аш-два-о. Бывшие ранее спаренными лепестки атома кислорода после подсоединения к их петлям атомов водорода расходятся под некоторым углом и успокаиваются. Успокаивается и вся молекула: несмотря на то, что присоединившиеся атомы водорода создают дополнительную пушистость, в целом пульсация молекулы воды оказывается несколько приглушенной, и в нормальных условиях она уже не является газообразной, а переходит в жидкость.
Вода отличается от других жидкостей многими своими свойствами, и одно из них - постоянство вязкости при изменении температуры. Если молекулы других жидкостей, ускоряя свои тепловые движения, уменьшают взаимный контакт и становятся как бы менее привязанными друг к другу, то молекулы воды сохраняют взаимную связь практически постоянной; это объясняется тем, что их подвижность вызвана в основном пушистостью атомов водорода и загнутых одиночных лепестков, а она очень мало зависит от температуры. Конечно, общие теп-ловые колебания молекул могут сделать их пушистыми до газообразности (это происходит при кипении) или, наоборот, уменьшить подвижность до прекращения взаимного скольжения (явление образования льда), но в интервале между этими состояниями связи между молекул между собой сохраняются практически постоянными.
Вода отличается еще очень большой своей теплоемкостью. У молекулы воды можно выделить следующие поглотители тепловых движений: это - загнутый в кольцо одиночный лепесток и два отогнутых (прямых) лепестка с водородными атомами на концах. Пульсирующее кольцо загнутого лепестка может иметь широкий диапазон амплитуд своих колебаний, то есть может накапливать большую энергию. Но основными поглотителями тепловых движений все же являются вытянутые лепестки; они представляют собой консоли с массами водородных атомов, отнесенными на их концы; момент инерции этих консолей - очень большой. Поглощая энергию внешних ударов, вытянутые лепестки лишь незначительно увеличивают амплитуду своих колебаний; и для того, чтобы раскачать их основательно, нужно приложить к ним много внешней энергии.
Объяснение других свойств воды и кислорода, таких как способности растворять и окислять, кроется в накопительстве атомом кислорода и молекулой воды в целом большего количества электронов. Атом имеет очень длинные присасывающие желоба, обращенные наружу; на таких желобах может скапливаться очень много электронов. У молекулы воды дополнительные присасывающие наружные желоба возникают по контурам атомов водорода. Поэтому молекулу воды можно считать накопителем электронов.
Большое скопление электронов является одной из причин диссоциации молекул воды: электроны, проникая в щели под атомами водорода, ослабляют их связи с атомами кислорода вплоть до их отделения. Другой причиной являются тепловые колебания консольных лепестков: молекула воды размахивает ими как деревья своими ветвями в сильный ветер; в общей массе жидкости молекулы лупят друг друга этими лепе-стками, как молотками; при этом атомы водорода на концах чувствуют себя не очень уютно.
Точно также происходит растворение в воде твердых веществ. Сначала, уткнувшись своим консольным лепестком в атом (или молекулу) твердого вещества, молекула воды производит инъекцию электронов (шприцует их); электроны ослабляют межатомные связи вещества; а затем ударами своих лепестков, как дубинами, вода срывает непрочные атомы и молекулы со своих мест и поглощает их. Растворение в воде кислот, содержащих кислород, сопровождается диссоциацией, то есть частичным или полным отделением атомов водорода.
Приблизительно также происходит окисление металлов. Сначала инъекцией электронов и ударами своих лепестков атомы кислорода, растворенные в воде, ослабляют крепление поверхностных атомов металла, а затем обволакивают их своими лепестками как щупальцами; при этом присасывающие желоба кислорода накладываются на присасывающие желоба металла и нейтрализуют их. Точно также ведет себя по отношению к металлу кислород, находящийся в составе кислот. Соединение их между собой происходит с помощью желобов, поэтому их количественное соотношение определяется соотношением длин желобов, и оно может быть некратным; отсюда - переменная и дробная валентность.
Обволакивание атомов различных химических элементов с помощью щупальцев (лепестков) воды способствует успокоению пульсаций ее молекул: их колебания амортизируются соседними атомами. Лишившись своей подвижности, молекулы воды становятся средствами скрепления других атомов, то есть клеем как азот, как углерод, как бор или бериллий в подобной роли. Поэтому в минералах оказывается так много воды.
Среди петлевых соединений кислорода можно выделит образование угарного и углекислого газов. При недостатке кислорода его атомы в первую очередь соединяются своими петлями с выкрученными петлями атомов углерода; его нормально замкнутые петли при этом не раскрываются; это - угарный газ. При избытке кислорода и при высокой температуре замкнутые петли углерода также раскрываются и соединяются с петлями других атомов кислорода; возникает углекислый газ. В указанных соединениях напряженность атомов углерода и кислорода уменьшается, то есть уменьшается их потенциальная энергия, и соответственно увеличивается кинетическая, тепловая энергия. Повышение температуры сопровождается выделением света: светятся атомы углерода.
Из трех состояний кислорода: атомарного, молекулярного и озонного, - последнее - наиболее активное. Если у одиночного атома кислорода и молекулы парные лепестки замкнуты своими петлями и не совсем готовы для присоединения к другим атомам, то у озона они находятся в непрочном соединении между собой и легко раскрываются.
Процессы горения и дыхания издавна привлекали внимание ученых. Первые указания на то, что не весь воздух, а лишь "активная" его часть поддерживает горение, обнаружены в китайских рукописях VIII века. Много позже Леонардо да Винчи рассматривал воздух как смесь двух газов, лишь один из которых расходуется при горении и дыхании. Окончательное открытие двух главных составных частей воздуха - азота и кислорода, сделавшее эпоху в науке, произошло только в конце XVIII века. Кислород получили почти одновременно К. Шееле (1769-70) путем прокаливания селитр (KNO3, NaNO3), двуокиси марганца МnО2 и других веществ и Дж. Пристли (1774) при нагревании сурика Рb3О4 и оксида ртути HgO. В 1772 году Д. Резерфорд открыл азот. В 1775 году А. Лавуазье, произведя количественный анализ воздуха, нашел, что он "состоит из двух газов различного и, так сказать, противоположного характера", то есть из кислорода и азота. На основе широких экспериментальных исследований Лавуазье правильно объяснил горение и дыхание как процессы взаимодействия веществ с кислородом. Поскольку кислород входит в состав кислот, Лавуазье назвал его oxygene, то есть "образующий кислоты" (от греч. oxys - кислый и gennao - рождаю; отсюда и русское название "кислород").
Кислород - химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород при нормальных условиях - газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета. Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон - при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3).
Атомный номер 8
Атомная масса 15,999
Плотность, кг/м³ 1,429
Температура плавления, °С -218,8
Температура кипения, °С -183
Теплоемкость, кДж/(кг·°С) 0,913
Электроотрицательность 3,5
Кислород - самый распространённый на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47,4 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода - 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,12 % по массе. Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород. Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле - около 65 %.
Исключительно велика роль свободного кислород в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. За исключением некоторых микроорганизмов-анаэробов, все животные и растения получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счет биологического окисления различных веществ с помощью кислорода. Вся масса свободного кислорода Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и мирового океана, выделяющих кислород в процессе фотосинтеза. На земной поверхности, где протекает фотосинтез и господствует свободный кислород, формируются резко окислительные условия. Напротив, в магме, а также глубоких горизонтах подземных вод, в илах морей и озер, в болотах, где свободный кислород отсутствует, формируется восстановительная среда. Окислительно-восстановительные процессы с участием кислорода определяют концентрацию многих элементов и образование месторождений полезных ископаемых - угля, нефти, серы, руд железа, меди и т. д.
Кислород образует химические соединения со всеми элементами, кроме легких инертных газов. Будучи наиболее активным (после фтора) неметаллом, кислород взаимодействует с большинством элементов непосредственно; исключение составляют тяжелые инертные газы, галогены, золото и платина; их соединения с кислородом получают косвенным путем. Почти все реакции кислорода с других веществами - реакции окисления экзотермичны, то есть сопровождаются выделением энергии.
Существует 3 основных способа получения кислорода: химический, электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха).
Химический способ изобретен ранее других. Кислород можно получать, например, из бертолетовой соли КClОз, которая при нагревании разлагается, выделяя О2 в количестве 0,27 м3 на 1 кг соли. Оксид бария ВаО при нагревании до 540°С сначала поглощает кислород из воздуха, образуя пероксид ВаО2, а при последующем нагревании до 870°С ВаО2 разлагается, выделяя чистый кислород. Его можно получать также из KMnO4, Ca2PbO4, К2Сг2О7 и других веществ при нагревании и добавлении катализаторов. Химический способ получения кислорода малопроизводителен и дорог, промышленного значения не имеет и используется лишь в лабораторной практике.
Электролизный способ состоит в пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения ее электропроводности добавлен раствор NaOH. При этом вода разлагается на кислород и водород. Кислород собирается около положительного электрода электролизера, а водород - около отрицательного. Этим способом кислород добывают как побочный продукт при производстве водорода.
Разделение воздуха является основным способом получения кислорода в современной технике. Осуществить разделение воздуха в нормальном газообразном состоянии очень трудно, поэтому воздух прежде сжижают, а уже затем разделяют на составные части. Такой способ получения кислорода называется разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (-180°С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий кислород нужной чистоты (концентрации).
Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах и ресиверах при давлении 15 и 42 Мн/м2 (соответственно 150 и 420 бар, или 150 и 420 ат), жидкий кислород - в металлических сосудах Дьюара или в специальных цистернах-танках. Для транспортировки жидкого и газообразного кислорода используют также специальные трубопроводы. Кислородные баллоны окрашены в голубой цвет и имеют черную надпись "кислород".
Технический кислород используют в процессах газопламенной обработки металлов, в сварке, кислородной резке, поверхностной закалке, металлизации и других, а также в авиации, на подводных судах и прочее. Технологический кислород применяют в химической промышленности при получении искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, пероксидов металлов и других химических продуктов. Жидкий кислород применяют при взрывных работах, в реактивных двигателях и в лабораторной практике в качестве хладагента.
Заключенный в баллоны чистый кислород используют для дыхания на больших высотах, при космических полетах, при подводном плавании и т.д. В медицине кислород дают для вдыхания тяжело больным, применяют для приготовления кислородных, водяных и воздушных (в кислородных палатках) ванн, для внутримышечного введения и т. п.
Кислород в металлургии широко применяется для интенсификации ряда пирометаллургических процессов. Полная или частичная замена поступающего в металлургические агрегаты воздуха кислородом изменила химизм процессов, их теплотехнические параметры и технико-экономические показатели. Кислородное дутье позволило сократить потери тепла с уходящими газами, значительная часть которых при воздушном дутье составлял азот. Не принимая существенного участия в химических процессах, азот замедлял течение реакций, уменьшая концентрацию активных реагентов окислительно-восстановительной среды. При продувке кислородом снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургических агрегатах возможно получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих специальное техническое применение) и др.
Пожалуй, среди всех известных химических элементов, именно кислород занимает ведущее значение, ведь без него попросту было бы невозможным возникновение жизни на нашей планете. Кислород – самый распространенный химический элемент на Земле, на его долю приходится 49% от общей массы земной коры. Также он входит в состав земной атмосферы, состав воды и состав более 1400 различных минералов, таких как базальт, мрамор, силикат, кремнезем и т. д. Примерно 50-80% общей массы тканей, как животных, так и растений состоит из кислорода. И, разумеется, общеизвестна его роль для дыхания всего живого.
История открытия кислорода
Люди далеко не сразу постигли природу кислорода, хотя первые догадки о том, что в основе воздуха лежит некий химический элемент, появились еще в VIII веке. Однако в то далекое время не было ни подходящих технических инструментов для его изучения, ни возможности доказать существования кислорода, как газа, отвечающего в том числе за процессы горения.
Открытие кислорода состоялось лишь спустя тысячелетие, в ХVIII веке, благодаря совместной работе нескольких ученых.
- В 1771 шведский химик Карл Шееле опытным путем исследовал состав воздуха, и определил, что воздух состоит из двух основных газов: одним из этих газов был азот, а вторым, собственно кислород, правда на то время само название «кислород» еще не появилось в науке.
- В 1775 году французский ученый А. Лувазье дал название открытому Шееле газу – кислород, он же оксиген в латыни, само слово «оксиген» означает «рождающий кислоты».
- За год до официальных «именин кислорода», в 1774 году английский химик Пристли путем разложение ртутного оксида впервые получает чистый кислород. Его опыты подкрепляют открытие Шееле. К слову сам Шееле также пытался получить кислород в чистом виде путем нагревания селитры, но у него не получилось.
- Более чем через столетия в 1898 году английский физик Джозеф Томпсон впервые заставил общественность задуматься, о том, что запасы кислорода могут закончиться вследствие интенсивных выбросов углекислого газа в атмосферу.
- В этом же году русский биолог Климент Тимирязев, исследователь , открывает свойство растений выделять кислород.
Хотя растения и выделяют кислород в атмосферу, но проблема поставленная Томпсоном о возможной нехватки кислорода в будущем, остается актуальной и в наше время, особенно в связи с интенсивной вырубкой лесов (поставщиков кислорода), загрязнением окружающей среды, сжиганием отходов и прочая. Больше об этом мы писали в прошлой об экологических проблемах современности.
Значение кислорода в природе
Именно наличие кислорода, в сочетании с водой привело к тому, что на нашей планете стало возможным возникновение жизни. Как мы заметили выше, основными поставщиками этого уникального газа являются различные растения, в том числе наибольшее количество выделяемого кислорода приходится на подводные водоросли. Выделяют кислород и некоторые виды бактерий. Кислород в верхних слоях атмосферы образует озоновый шар, который защищает всех жителей Земли от вредного ультрафиолетового солнечного излучения.
Строение молекулы кислорода
Молекула кислорода состоит из двух атомов, химическая формула имеет вид О 2 . Как образуется молекула кислорода? Механизм ее образования неполярный, другими словами за счет обобществления электроном каждого атома. Связь между молекулами кислорода также ковалентная и неполярная, при этом она двойная, ведь у каждого из атомов кислорода есть по два неспаренных электрона на внешнем уровне.
Так выглядит молекула кислорода, благодаря своим характеристикам она весьма устойчива. Для многих с ее участием нужны специальные условия: нагревание, повышенное давление, применение катализаторов.
Физические свойства кислорода
- Прежде всего, кислород является газом, из которого состоит 21% воздуха.
- Кислород не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.
- Может растворяться в органических веществах, поглощаться углем и порошками .
- - Температура кипения кислорода составляет -183 С.
- Плотность кислорода равна 0,0014 г/см 3
Химические свойства кислорода
Главным химическим свойством кислорода является, конечно же, его поддержка горения. То есть в вакууме, где нет кислорода, огонь не возможен. Если же в чистый кислород опустить тлеющую лучину, то она загорится с новой силой. Горение разных веществ это окислительно-восстановительный химический процесс, в котором роль окислителя принадлежит кислороду. Окислители же это вещества, «отбирающие» электроны у веществ восстановителей. Отличные окислительные свойства кислорода обусловлены его внешней электронной оболочкой.
Валентная оболочка у кислорода расположена близко к ядру и как следствие ядро притягивает к себе электроны. Также кислород занимает второе место после фтора по шкале электроотрицательности Полинга, по этой причине вступая в химические реакции со всеми другими элементами (за исключением фтора) кислорода выступает отрицательным окислителем. И лишь вступая в реакции со фтором кислород имеет положительное окислительное воздействие.
А так как кислород второй окислитель по силе среди всех химических элементов таблицы Менделеева, то это определяет и его химические свойства.
Получение кислорода
Для получения кислорода в лабораторных условиях применяют метод термической обработки либо пероксидов либо солей кислосодержащих кислот. Под действием высокой температуры они разлагаются с выделением чистого кислорода. Также кислород можно получить с помощью перекиси водорода, даже 3% раствор перекиси под действие катализатор мгновенно разлагается, выделяя кислород.
2KC l O 3 = 2KC l + 3O 2 — вот так выглядит химическая реакция получения кислорода.
Также в промышленности в качестве еще одного способа получения кислорода применяют электролиз воды, во время которого молекулы воды раскладываются, и опять таки выделяется чистый кислород.
Использование кислорода в промышленности
В промышленности кислород активно применяется в таких сферах как:
- Металлургия (при сварке и вырезке металлов).
- Медицина.
- Сельское хозяйство.
- Как ракетное топливо.
- Для очищения и обеззараживания воды.
- Синтеза некоторых химических соединений, включая взрывчатые вещества.
Кислород, видео
И в завершение образовательное видео про кислород.
План:
История открытия
Происхождение названия
Нахождение в природе
Получение
Физические свойства
Химические свойства
Применение
10. Изотопы
Кислород
Кислоро́д - элемент 16-й группы (по устаревшей классификации - главной подгруппы VI группы), второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 8. Обозначается символом O(лат. Oxygenium). Кислород - химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород (CAS-номер: 7782-44-7) при нормальных условиях - газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O 2), в связи с чем его также называют дикислород.Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон (CAS-номер: 10028-15-6) - при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O 3).
История открытия
Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).
Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.
Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.
Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория. Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожженных элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.
Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.
Происхождение названия
Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (фр. oxygène), предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς - «кислый» и γεννάω - «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его - «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.
Нахождение в природе
Кислород - самый распространённый на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47,4 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода - 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,12 % по массе. Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород.
Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле - около 65 %.
Получение
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода, является криогенная ректификация. Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.
В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.
Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO 4:
Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н 2 О 2 в присутствии оксида марганца(IV):
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO 3:
К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей, а также разложение оксида ртути(II) (при t = 100 °C):
На подводных лодках обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:
Физические свойства
В мировом океане содержание растворённого O 2 больше в холодной воде, а меньше - в тёплой.
При нормальных условиях кислород - это газ без цвета, вкуса и запаха.
1 л его имеет массу 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100 г при 0 °C, 2,09 мл/100 г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100 г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре(22 объёма O 2 в 1 объёме Ag при 961 °C). Межатомное расстояние - 0,12074 нм. Является парамагнетиком.
При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000 °C - 0,03 %, при 2600 °C - 1 %, 4000 °C - 59 %, 6000 °C - 99,5 %.
Жидкий кислород (температура кипения −182,98 °C) - это бледно-голубая жидкость.
Фазовая диаграмма O 2
Твёрдый кислород (температура плавления −218,35°C) - синие кристаллы. Известны 6 кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:
α-О 2 - существует при температуре ниже 23,65 К; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии, параметры ячейки a=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53°.
β-О 2 - существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 К; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å,α=46,25°.
γ-О 2 - существует при температурах от 43,65 до 54,21 К; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решётки a=6,83 Å.
Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:
δ-О 2 интервал температур 20-240 К и давление 6-8 ГПа, оранжевые кристаллы;
ε-О 4 давление от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от тёмно-красного до чёрного, моноклинная сингония;
ζ-О n давление более 96 ГПа, металлическое состояние с характерным металлическим блеском, при низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние.
Химические свойства
Сильный окислитель, взаимодействует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:
Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:
Окисляет большинство органических соединений:
При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:
Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором
Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.
Например, пероксиды получаются при сгорании щелочных металлов в кислороде:
Некоторые оксиды поглощают кислород:
По теории горения, разработанной А. Н. Бахом и К. О. Энглером, окисление происходит в две стадии с образованием промежуточного пероксидного соединения. Это промежуточное соединение можно выделить, например, при охлаждении пламени горящего водорода льдом, наряду с водой, образуется пероксид водорода:
В надпероксидах кислород формально имеет степень окисления −½, то есть один электрон на два атома кислорода (ион O − 2). Получают взаимодействием пероксидов с кислородом при повышенных давлении и температуре:
Калий K, рубидий Rb и цезий Cs реагируют с кислородом с образованием надпероксидов:
В ионе диоксигенила O 2 + кислород имеет формально степень окисления +½. Получают по реакции:
Фториды кислорода
Дифторид кислорода, OF 2 степень окисления кислорода +2, получают пропусканием фтора через раствор щелочи:
Монофторид кислорода (Диоксидифторид), O 2 F 2 , нестабилен, степень окисления кислорода +1. Получают из смеси фтора с кислородом в тлеющем разряде при температуре −196 °C:
Пропуская тлеющий разряд через смесь фтора с кислородом при определённых давлении и температуре, получают смеси высших фторидов кислорода O 3 F 2 , О 4 F 2 , О 5 F 2 и О 6 F 2 .
Квантовомеханические расчёты предсказывают устойчивое существование иона трифторгидроксония OF 3 + . Если этот ион действительно существует, то степень окисления кислорода в нём будет равна +4.
Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.
В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O 2 и O 3 (озон). Как установили в 1899 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, под воздействием ионизирующего излучения O 2 переходит в O 3 .
Применение
Широкое промышленное применение кислорода началось в середине XX века, после изобретения турбодетандеров - устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.
В металлургии
Конвертерный способ производства стали или переработки штейнов связан с применением кислорода. Во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха в горелках используют кислородно-воздушную смесь.
Сварка и резка металлов
Кислород в баллонах голубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.
Ракетное топливо
В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона - один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород - озон превышает удельный импульс для пары водород-фтор и водород-фторид кислорода).
В медицине
Медицинский кислород хранится в металлических газовых баллонах высокого давления (для сжатых или сжиженных газов) голубого цвета различной ёмкости от 1,2 до 10,0 литров под давлением до 15 МПа (150 атм) и используется для обогащения дыхательных газовых смесей в наркозной аппаратуре, при нарушении дыхания, для купирования приступа бронхиальной астмы, устранения гипоксии любого генеза, при декомпрессионной болезни, для лечения патологии желудочно-кишечного тракта в виде кислородных коктейлей. Для индивидуального применения медицинским кислородом из баллонов заполняют специальные прорезиненные ёмкости - кислородные подушки. Для подачи кислорода или кислородо-воздушной смеси одновременно одному или двум пострадавшим в полевых условиях или в условиях стационара применяются кислородные ингаляторы различных моделей и модификаций. Достоинством кислородного ингалятора является наличие конденсатора-увлажнителя газовой смеси, использующего влагу выдыхаемого воздуха. Для расчёта оставшегося в баллоне количества кислорода в литрах обычно величину давления в баллоне в атмосферах (по манометру редуктора) умножают на величину ёмкости баллона в литрах. Например, в баллоне вместимостью 2 литра манометр показывает давление кислорода 100 атм. Объём кислорода в этом случае равен 100 × 2 = 200 литров.
В пищевой промышленности
В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E948, как пропеллент и упаковочный газ.
В химической промышленности
В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленных синтезах, например, - окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кислоты), аммиака в оксиды азота в производстве азотной кислоты. Вследствие высоких температур, развивающихся при окислении, последние часто проводят в режиме горения.
В сельском хозяйстве
В тепличном хозяйстве, для изготовления кислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.
Биологическая роль кислорода
Аварийный запас кислорода в бомбоубежище
Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом воздуха. Широко используется кислород в медицине. При сердечно-сосудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном. Радиоактивный изотоп кислорода 15 O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.
Токсические производные кислорода
Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие как синглетный кислород, пероксид водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются высокотоксичными продуктами. Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.
Изотопы
Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16 О, 17 О и 18 О, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759 %, 0,037 % и 0,204 % от общего числа атомов кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого из них 16 О связано с тем, что ядро атома 16 О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов (дважды магическое ядро с заполненными нейтронной и протонной оболочками). А такие ядра, как следует из теории строения атомного ядра, обладают особой устойчивостью.
Также известны радиоактивные изотопы кислорода с массовыми числами от 12 О до 24 О. Все радиоактивные изотопы кислорода имеют малый период полураспада, наиболее долгоживущий из них 15 O с периодом полураспада ~120 с. Наиболее краткоживущий изотоп 12 O имеет период полураспада 5,8·10 −22 с.
Миллионы лет непрерывно происходит потребление кислорода.
Он в огромных количествах расходуется на медленное и быстрое окисление, на горение и взрыв, а состав воздуха остается неизменным, содержание кислорода в нем не уменьшается.
Как же воздух пополняется кислородом?
Еще в конце XVIII века был поставлен опыт, который поможет нам ответить на этот вопрос.
Под стеклянный колпак была помещена зажженная свеча. Некоторое время свеча горела, но вскоре погасла:
кислород воздуха под колпаком был весь израсходован. Время горения свечи было зафиксировано.
Предполагая, что растения играют какую-то роль в образовании кислорода, опыт был повторен. Рядом с зажженной свечой положили пучок мяты. Горящую свечу и мяту накрыли тем же колпаком. Лучи солнечного света, проникая через стекло колпака, падали на растение, освещая его зеленые листья. Прошло много времени - больше, чем в первом опыте, - но свеча не гасла и продолжала гореть обычным пламенем. Так было установлено, что зеленые листья растений изменяют состав воздуха и на свету выделяют кислород. Одновременно было открыто, что растения извлекают из воздуха углекислый газ.
Никто в то время не мог еще объяснить суть этого замечательного явления. Честь открытия роли растений в жизни нашей планеты принадлежит великому русскому ученому Клименту Аркадьевичу Тимирязеву.
Если посмотреть через микроскоп на срез зеленого листа, то в клетках, похожих на пчелиные соты, можно увидеть зеленые зерна - хлоропласты. Их также называют хлорофилловыми зернами. В каждой клеточке листа содержится от 25 до 50 хлорофилловых зерен. Это о ник говорил Тимирязев: «Хлорофилловое зерно - тот фокус, та точка в мировом пространстве, где солнечный луч, превращаясь в химическую энергию, становится источником всей жизни на земле».
Что же происходит в зеленых листьях растений? В листьях имеются многочисленные отверстия - устьица, которые служат растению для дыхания и питания. Через эти устьица из воздуха в листья проникает углекислый газ. Своими корнями растение всасывает влагу из земли и подает ее к листьям по тонким капиллярам ствола и стеблей.
Под влиянием света и тепла солнечных лучей в хлорофилловых зернах листа между водой и углекислотой происходит сложная химическая реакция - фотосинтез. В результате образуются продукты, переходящие в виноградный сахар и кислород.
Виноградный сахар имеет особое название - глюкоза , которое произошло от греческого слова «глюкос», означающего «сладкий».
Молекулы глюкозы состоят из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. На образование 1 молекулы глюкозы необходимо 6 молекул углекислого газа (СO 2) и 6 молекул воды (Н 2 O). При этом должно выделиться 6 молекул кислорода. Следовательно, когда образуется 1 грамм глюкозы, освобождается более 1 грамма, или около 900 кубических сантиметров, чистого кислорода.
Так под влиянием солнечного света и тепла в хлорофилловых зернах растений, живущих на земле и под водой, происходит образование кислорода, которым непрерывно пополняется наша планета.
Растения являются неиссякаемым источником необходимого для жизни кислорода, и их по праву можно назвать «зеленой фабрикой кислорода».
До последнего времени считали, что кислород, который выделяется из растений при фотосинтезе, отщепляется от углекислого газа. Полагали, что в хлорофилловых зернах под действием света происходит расщепление молекулы углекислого газа на кислород и углерод. Углерод, вступая в реакцию с водой, образует, в конечном счете, глюкозу, а кислород выделяется в атмосферу.
В настоящее время существует другая теория. Считают, что в хлорофилловых зернах под действием солнечных лучей происходит распад не молекулы углекислого газа, а молекулы воды. При этом образуется кислород, который выделяется в атмосферу, и водород, который в соединении с углекислым газом дает глюкозу.
Теория эта получила свое экспериментальное подтверждение в 1941 году в опытах А. П. Виноградова, который впервые применил для изучения фотосинтеза тяжелый изотоп кислорода О 18 .
Поливая растение водой, содержащей тяжелый изотоп О 18 , А. П. Виноградов наблюдал, что чем больше тяжелого изотопа кислорода О 18 содержалось в воде, которой поливали растение, тем больше его находили в выделяющемся кислороде.
Если поливать растение обычной водой и поместить его в атмосферу углекислого газа, содержащего тяжелый изотоп кислорода О 18 , то в выделяющемся при фотосинтезе кислороде изотоп О 18 не обнаруживается.
Эти опыты убедительно показали, что при фотосинтезе в зеленых листьях растений кислород получается не за счет углекислого газа, а за счет разложения воды. Водород, входящий в состав воды, вместе с углекислотой идет на образование глюкозы.
Глюкоза в листьях не остается. Она, как растворимое питательное вещество, разносится по всему растению и служит ему пищей и строительным материалом для образования клетчатки. Из клетчатки состоят корни, стволы, стебли и листья растений.
Часть глюкозы превращается в крахмал и откладывается в плодах и зернах.
Для жизни и развития растения необходимы солнечный свет и непрерывное поступление к нему углекислого газа и воды. В процессе питания растения воздух вокруг него обогащается кислородом и обедняется углекислым газом. Благодаря работе ветра воздух перемешивается, и таким образом у листьев растения поддерживается постоянная концентрация углекислого газа.
А как же обеспечивается подача углекислого газа к листьям в жаркую безветренную погоду? В такую погоду молекулы углекислого газа, беспорядочно двигаясь в воздушном пространстве, очутившись около зеленого листа, вдруг резко поворачивают к нему.
Какая сила заставляет их свернуть к листу?
Если наполнить двумя различными газами сосуд, разделенный перегородкой, и затем осторожно вынуть ее, газы перемешаются, образуя однородную смесь. Такое же явление можно наблюдать, если привести в соприкосновение два различных раствора.
Если разделить между собой два различных газа или раствора, поместив между ними перегородку из желатины, кожи или другого мелкопористого материала, можно заметить, как через некоторое время по обеим сторонам перегородки концентрации газов или растворов будут одинаковы.
Процессы самопроизвольного перемешивания газов или жидкостей, а также проникновение их через полупроницаемые перегородки называются диффузией.
Скорость диффузии тем больше, чем больше разница в концентрациях диффундирующих веществ.
Вот почему, как только концентрация углекислого газа у зеленого листа становится меньше, чем на некотором расстоянии от него, воздух около листа пополняется молекулами углекислого газа из близлежащих слоев атмосферы. Их места занимают сотни, тысячи и миллионы молекул углекислого газа из более отдаленных частей пространства.
Одновременно с процессом диффузии углекислого газа идет процесс диффузии кислорода от зеленого листа в более отдаленные пространства, где концентрация его меньше.
Под водой, как и на суше, растения питаются углекислым газом и вырабатывают глюкозу и крахмал, освобождая кислород.
Откуда же берется углекислый газ в воде. Он образуется при дыхании животных и растений, живущих под водой. Кроме того, он попадает туда из воздуха, растворяясь в поверхностных слоях воды. Перемешиванием, или диффузией, углекислый газ проникает вглубь.
Углекислый газ хорошо растворяется в воде. Его растворимость при низких температурах в 35 раз больше растворимости кислорода. В литре воды при температуре 0° и давлении 760 миллиметров растворяется 50 кубических сантиметров кислорода, а углекислого газа - более 1700 кубических сантиметров. Хотя при температуре воды 20° углекислого газа в литре растворится примерно половина от этого количества, но и этого достаточно, чтобы растения, находящиеся под водой, не испытывали недостатка в углекислом газе. На зеленой поверхности подводных растений происходит тот же процесс усвоения углерода, что и на воздухе.
Налейте в стакан обыкновенной водопроводной воды и пропустите через нее углекислый газ. Опустите в воду растение и накройте его воронкой. На узкую часть воронки наденьте пробирку, наполненную водой. Вынесите стакан с растением на солнечный свет. Через несколько часов в пробирке соберется заметное количество газа. Снимите пробирку с узкой части воронки и под водой
Растение, находясь под водой, при питании выделяет кислород.
заткните ее пробкой. Теперь можно вынуть пробирку из воды и опрокинуть ее пробкой вверх. Оставшаяся в пробирке вода опустится на дно, а газ окажется над водой. Откройте пробку. Так как плотность кислорода несколько больше плотности воздуха, кислород некоторое время (пока не продиффундирует в воздух) останется в пробирке. Опустите в пробирку тлеющую лучинку, и вы убедитесь в том, что газ, который выделился из растения, - кислород.
Образующийся в воде кислород равномерно распределяется по всей толще воды, насыщая ее. Если кислорода окажется больше, чем его может раствориться в воде при данной температуре, избыток его уйдет в воздух. Если его будет меньше, то недостающее количество кислорода дополнится из воздуха.
Не совсем верно утверждать, что кислород равномерно распределяется по всей толще воды. На разной глубине вода имеет различную температуру. А мы знаем, что чем выше температура, тем меньше растворится в ней кислорода. Поэтому в разное время года, на различных глубинах концентрация растворенного в воде кислорода различна. В неглубоких водоемах разница в количестве растворенного кислорода в верхних и нижних слоях не очень велика, и ею можно пренебречь.
Растения, живущие на земле или под водой, не только выделяют кислород, но и поглощают его. Как и любой живой организм, растения дышат. Часть кислорода, которая образуется при питании растений, потребляется ими при дыхании.
Если после долгой зимней ночи войти в закрытое помещение, где находилось много цветов, чувствуется такая духота, как будто здесь долгое время находилось много людей. Растения израсходовали часть кислорода воздуха на дыхание, и в помещении образовался избыток углекислого газа.
Итак, кислород в природе совершает непрерывный круг. При дыхании человека, животных и растений, при горении твердого и жидкого топлива кислород расходуется и образуется углекислый газ. Этот газ идет на питание растений, которые возвращают кислород обратно в воздух.
Растения играют важную роль в жизни человека. Они не только кормят и согревают нас - они веками обеспечивают постоянное содержание кислорода в воздухе, без чего невозможна жизнь на Земле.
А не меняется ли содержание кислорода в воздухе зимой, когда остаются зелеными только хвойные деревья?
Зимой количество кислорода, выделяемого растениями, сокращается, но запасы его в атмосфере чрезвычайно велики. Если бы в течение тысячи или даже двух тысяч лет вообще не было никакого возвращения кислорода, а происходило только его потребление, то общее количество израсходованного кислорода не превысило бы 0,1 процента всего запаса кислорода в атмосфере. Запасы кислорода в воздухе неисчислимы.