Кислород

Кислород

Химический элемент

Кипящий жидкий кислород

Символ, номер

O, 8

Атомная масса

15,99903 а.е.м.

Электронная конфигурация

[He] 2s2 2p4

Электроотрицательность

3,44 по шкале Полинга

Степени окисления

−2; −1; −0,5; −1/3; 0; +0,5; +1; +2

Плотность

0,00142897 г/см3

Температура плавления

54,8 K

Температура кипения

90,19 K

Молярная теплоёмкость

Дж/(K·моль)

Структура кристаллической решетки

моноклинная

Теплопроводность

(300 K) 0,027 Вт/(м·К)

Кислород/oxygen (часть 1). Химия – Просто [16:13]

Кислород/oxygen (часть 2). Химия – Просто [18:51]

Кислород (лат. Oxygenium) — химический элемент c атомным номером 8.

Обозначается символом O.

Описание

Кислород — буквально «тот, что порождает кислоту». Русское слово восходит к М. В. Ломоносову и является калькой французского слова oxygène, предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»).

Атомный номер кислорода — 8; атомная масса — 15,9994. Кислород образует соединения со всеми элементами, кроме гелия, аргона и неона. При нормальных условиях кислород — газ, состоящий из двухатомных молекул. При 90,18 К кислород конденсируется в бледно-голубую жидкость, при 54,36 К — затвердевает. Есть и другие аллотропные формы кислорода, в частности трехатомный кислород (формула O₃) называется озон — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом.

Плотность жидкого кислорода — 1,144; температура плавления составляет −218 ° C, температура кипения составляет −183 ° C.

С некоторыми металлами кислород образует пероксиды, надпероксиды, озониды, а с горючими газами — взрывчатые смеси.

Элемент кислород занимает третье место после водорода и гелия по распространенности в Вселенной. Он — самый распространенный химический элемент на Земле — 47 % массы земной коры, 85,7 % массы гидросферы, 23,15 % массы атмосферы, 79 % и 65 % массы растений и животных соответственно. За объемом кислород занимает 92 % объема земной коры. Известно около 1400 минералов, содержащих кислород, главные из них — кварц, полевые шпаты, слюда, глинистые минералы, карбонаты. Более 99,9 % кислорода Земли находится в связанном состоянии. Кислород — фактор, который регулирует распределение элементов в планетарном масштабе. Содержание его с глубиной закономерно уменьшается. Количество кислорода в магматических породах меняется от 49 % в гранитах до 38−42 % в дунитах и кимберлитах. Содержание кислорода в метаморфических породах соответствует глубине их формирования: от 44 % в эклогитах 48 % в кристаллических сланцах. Максимум кислорода — в осадочных породах — 49−51 %. Исключительную роль в геохимических процессах играет свободный кислород — молекулярный кислород, значение которого определяется его высокой химической активностью, большой миграционной способностью и постоянным, относительно высоким содержанием в биосфере, где он не только расходуется, но и воспроизводится. Считается, что свободный кислород появился в протерозое в результате фотосинтеза.

В гипергенных процессах кислород — один из основных агентов, он окисляет сероводород и низшие оксиды. Кислород определяет поведение многих элементов: повышает миграционную способность халькофилов, окисляя сульфиды до подвижных сульфатов, снижает подвижность железа и марганца, осаждая их в виде гидроксидов и вызывая тем самым их разделение. В водах океана содержание кислорода меняется: летом океан отдает кислород в атмосферу, зимой поглощает его. Полярные регионы обогащены кислородом. Важное геохимическое значение имеют соединения кислорода, в частности вода.

Основной промышленный метод получения кислорода — разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Как побочный продукт кислород получают при электролизе воды. Разработан способ получения кислорода методом выборочной диффузии газов через молекулярные сита. Газообразный кислород применяется в металлургии для интенсификации доменных и сталеплавильных процессов, при выплавке цветных металлов в шахтных печах, бессемеровании штейнов и др. (Более 60 % потребляемого кислорода); как окислитель во многих химических производствах; в технике — при сварке и резке металлов; при подземной газификации угля и т. п.; озон — при стерилизации питьевой воды и дезинфекции помещений. Жидкий кислород используют как окислитель для некоторых разновидностей ракетного топлива.

История

Кислород был открыт в 1773 году шведским химиком К. В. Шееле, и независимо от него в 1774 году — английским ученым Джозефом Пристли. Французский химик Антуан Лавуазье дал новому элементу его название, а в 1777 году создал кислородную теорию дыхания, горения и окисления. В свободном виде известен, как молекулярный кислород (O₂) и озон (O₃).

Еще в VIII веке установлено наличие в воздухе газа, поддерживающего дыхание и горение. Однако европейцы кислород открыли почти через 1000 лет. Шведский химик К. В. Шееле в 1771 году установил, что воздух состоит из кислорода и азота.

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, опубликовавшего свои работы по окислению ртути и последующего разложения ее оксида.

В 1774 году Дж. Пристли добыл кислород разложением оксида ртути HgO. Но все же главные лица в истории открытия кислорода — это не К. В. Шееле и не Дж. Пристли. Они открыли новый газ — кислород, но несмотря на это до конца жизни оставались ревностными защитниками теории флогистона, которая длительное время тормозила развитие науки. Особое значение в истории открытия кислорода имеют работы А. Лавуазье. Он в 1775 году установил, что кислород — составная часть воздуха, создал кислородную теорию горения (за 200 лет она не только не была опровергнута, но и получила множество подтверждений своей истинности), которая пришла на смену теории флогистона. В 1898 году английский ученый Томпсон, лорд Кельвин, утверждал, что человечеству грозит удушье, поскольку в воздух выделяется огромное количество углекислого газа не только от дыхания, но и от промышленных предприятий. Это утверждение опроверг К. А. Тимирязев. Он доказал, что человечеству не дадут погибнуть зеленые растения, выделяющие кислород в ходе фотосинтеза.

Распространение в природе

Кислород — самый распространенный на Земле элемент, содержание его составляет 47 % по массе (в основном в форме оксидов), в воздухе (тропосфере) кислорода (O₂) — 20,93 % по объему, или 23 % по массе. В состав воды входит 88,8 % кислорода, в морской воде — 85,7 %. Он входит в состав большинства горных пород, почв, а также клеток всех растительных и животных организмов. Кислород в целом составляет 30-85 % массы животных и растительных тканей. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и т. п. Свободный кислород играет большую роль в биохимических и физиологических процессах, в частности в дыхании. При недостаточном снабжении организма животных и человека кислородом развивается гипоксия. Зеленые растения и некоторые бактерии являются источником свободного кислорода на Земле.

Во Вселенной кислород — третий по распространенности химический элемент после водорода и гелия.

Физические свойства

Жидкий кислород

Кислород — бесцветный газ без запаха и вкуса. При температуре −183 ° С он конденсируется в жидкость голубоватого цвета, при −218,7 ° С замерзает в синюю кристаллическую массу. Растворимость кислорода в воде невелика и при обычной температуре составляет всего 3,1 см₃ в 100 г воды. В продажу кислород поступает в стальных баллонах под давлением примерно 150 атм.

Твердый кислород (температура плавления −218,79 ° C) существует в виде синих кристаллов. Известны шесть кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм:

• α-О₂ — существует при температуре ниже 23,65 K; 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-О₂ — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 К; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решетку, параметры ячейки a = 4,21 Å, α = 46,25 °
• γ-О₂ — существует при температурах от 43,65 до 54,21 К; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, с периодом решетки a = 6,83 Å.

Химические свойства

Кислород относится к главной подгруппе VI группы периодической системы элементов. Его порядковый номер 8.

Молекула кислорода состоит из двух атомов. Химическая связь ковалентная. Упрощенная структурная формула: O = O.

Существует также высокоэнергетическая синглетная форма молекулы кислорода. Она очень химически активна, и быстро реагирует с органическими соединениями. Синглетный кислород образуется в процессе фотосинтеза, и иммунной системой. Он также возникает в тропосфере вследствие фотолиза озона.

Имея во внешней электронной оболочке шесть электронов, атомы кислорода энергично присоединяют от атомов других элементов два электрона, которых им не хватает для завершения валентной оболочки, и превращаются в негативные двухвалентные ионы:

• O + 2e = O^2-

При этом кислород проявляет свои окислительные свойства. Из всех химических элементов он является одним из сильнейших окислителей и уступает в этом только фтору. Кислород непосредственно соединяется со всеми элементами, за исключением инертных газов, галогенов и благородных металлов. Химическая активность кислорода возрастает с повышением температуры.

• 4Na + O₂ = 2Na₂O

Кислород хорошо растворим в органических растворителях, поглощается тонкими порошками металлов, угля. Образует соединения со всеми элементами, кроме гелия, аргона и неона. На основе типов и свойств кислородных соединений построена классификация неорганических соединений. С металлами и неметаллами кислород образует оксиды соединений, с щелочными металлами, кроме лития, — пероксиды. Взаимодействие веществ с кислородом значительно ускоряется при нагревательной действия электрических разрядов, под давлением, при наличии катализаторов, особенно воды. В смеси с горючими газами и паром, с тонкими порошками многих металлов и органических веществ газообразный кислород образует взрывчатые смеси. Он легко окисляет органические соединения.

• CH₃CH₂OH + 3O₂ = 2CO₂ + 3H₂O

Получение

В лабораториях кислород обычно получают термическим разложением некоторых пероксидов, солей некоторых кислородосодержащих кислот (например, перманганата калия KMnO₄, бертолетовой соли KClO₃):

• 2KClO₃ = 2KCl + 3O₂↑

При 368 ° C эта соль плавится, а около 400 ° C начинает разлагаться. В присутствии диоксида марганца MnO₂ (катализатор) температура разложения снижается и реакция проходит легче.

В промышленности кислород добывают фракционированной перегонкой жидкого воздуха и электролизом воды. С этой целью воздух сначала сжижают сильным охлаждением под большим давлением, а затем медленно испаряют из него азот. Очень чистый кислород добывают электролизом водного раствора гидроксида натрия NaOH с применением никелевых электродов. При этом на катоде восстанавливаются катионы водорода, а на аноде окисляются гидроксильные анионы с выделением кислорода.

В целом электролиз водного раствора NaOH сводится к электролизу воды, однако раствор NaOH имеет лучшую, чем вода, электролитическую проводимость, что и обуславливает его использование.

Электролитическим способом кислород получают и для промышленных нужд, в частности там, где есть дешевая электрическая энергия.

Применение

Кислород воздуха имеет чрезвычайно важное значение для процессов горения. Сжигая различные виды топлива, получают тепло, которое используют для удовлетворения самых различных потребностей, в том числе для преобразования его в механическую и электрическую энергию. При участии кислорода воздуха сгорает топливо на теплоэлектростанциях, топливо в двигателях автомобилей, выжигают металлические руды на заводах цветной металлургии.

Сварка и резка металлов

Чистый кислород с ацетиленом широко используют для так называемой автогенной сварки стальных труб и других металлических конструкций и их резки. Для этого служит специальная горелка, который состоит из двух металлических трубок, вставленных друг в друга. В пространство между трубками пропускают ацетилен и зажигают, а затем по внутренней трубке пропускают кислород. Оба газа, подаются из баллонов под давлением. Температура в кислородно-ацетиленовом пламени — до 2000 ° C, при такой температуре плавится большинство металлов.

В медицине

Кислород — биогенный химический элемент, обеспечивающий дыхание большинства живых организмов на Земле. Физиологическое действие кислорода разностороннее, решающее значение в его лечебном эффекте имеет способность возмещать дефицит кислорода в тканях организма при гипоксии (недостаточного снабжения тканей кислородом или нарушения его усвоения).

Ингаляцией (вдыханием) кислорода широко пользуются при различных заболеваниях, сопровождающихся гипоксией (нехваткой кислорода): при заболеваниях органов дыхания (пневмония, отек легких и т. д.), сердечно-сосудистой системы (сердечная недостаточность, коронарная недостаточность, резкое падение артериального давления и т. п.), отравлениях угарным газом, синильной кислотой, удушающими веществами (хлор, фосген и др.), а также при других заболеваниях с нарушением функции дыхания и окислительных процессов.

В анестезиологической практике кислород широко применяется в смеси с ингаляционными наркотическими анальгетиками. Чистым кислородом и смесью его с углекислотой пользуются при ослаблении дыхания в послеоперационном периоде, при интоксикациях и т. д.

Широко пользуются кислородом для так называемой гипербарической оксигенации — применения кислорода под повышенным давлением. Установлена ​​высокая эффективность этого метода в хирургии, интенсивной терапии тяжелых заболеваний, особенно в кардиологии, реаниматологии, неврологии и других областях медицины.

Применяют также энтеральную оксигенотерапию (введение кислорода в кишечник или желудок) путем введения в желудок кислородной пены, применяемой в виде так называемого кислородного коктейля. Используется для общего улучшения обменных процессов в комплексной терапии сердечно-сосудистых заболеваний, нарушений обмена веществ и других патологических состояний, связанных с кислородной недостаточностью организма.

Чистым кислородом пользуются для дыхания также летчики при высоких полетах, водолазы, на подводных лодках и т. п.

Кислородные подушки применяют при некоторых заболеваниях для облегчения дыхания.

В металлургии

Кислород широко применяется для интенсификации химических и металлургических процессов. Чистый кислород используют, в частности при производстве серной и азотной кислот, синтетического метилового спирта CH₃OH и других химических продуктов.

При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха значительно повышается температура печи, ускоряется процесс выплавки чугуна, увеличивается производительность доменов и экономится кокс. В 1871 году Генри Бессемер взял патент на вдувания в печь воздушного дутья, обогащенного кислородом.

Обогащение дутья кислородом позволяет интенсифицировать доменный процесс. В воздухе содержится примерно 21 % кислорода. Полученное из атмосферы дутья также содержать 21 % кислорода. Однако, дутьё можно обогатить, добавив к нему кислород перед вдуванием в печь. Чем больше кислорода содержит дутьё, тем больше топлива можно сжечь в единицу времени, то есть вести доменный процесс более ускоренно. 1 % дополнительного кислорода в дутье дает увеличение производства примерно на 3 %.

Идея о целесообразности обогащения дутья кислородом была высказана еще в XIX веке. Однако, широкое использование обогащенного кислородом воздуха в доменном производстве и в металлургии вообще задержалось на долгое время. Это было обусловлено высокой стоимостью кислорода, а также нарушениями в технологическом процессе, возникавшие при выплавке перерабатывающих чугунов.

После многих промышленных исследований была отработана теория и технология доменной плавки с использованием обогащенного кислородом дутья.

В сельском хозяйстве

В тепличном хозяйстве, для увеличения массы животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.

Ракетное топливо

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).

Взрывчатые вещества

Для изготовления взрывчатых смесей — так называемых оксиликвиты используют жидкий кислород. Это смеси древесных опилок, сухого торфа, порошка угля и других горючих веществ, спрессованных в специальных патронах и пропитанных перед употреблением жидким кислородом. При воспалении такой смеси электрической искрой она взрывается с большой силой. Оксиликвиты применяют при разработке рудных залежей взрывным способом, при прокладке тоннелей в горах, рытье каналов и др.

Биологическая роль кислорода

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 серьезных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном. Радиоактивный изотоп кислорода ¹⁵O применяется для исследований скорости кровотока, легочной вентиляции.

Токсичные производные кислорода

Некоторые производные кислорода (реактивные формы кислорода), такие как синглетный кислород, перекись водорода, супероксид, озон и гидроксильный заместитель, являются высокотоксичными продуктами. Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный заместитель), перекись водорода и гидроксильный заместитель могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.

Изотопы

Кислород имеет три устойчивых изотопа: ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759 %, 0,037 % и 0,204 % от общего числа атомов кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов легкого из них ¹⁶О связано с тем, что ядро атома ¹⁶О 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, особенно устойчивы.

Также известны радиоактивные изотопы кислорода, которые имеют малый период полураспада.

Факты о кислороде

• Кислород воздуха, от которого зависит жизнь человека, впервые появился в атмосфере Земли благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий.
• Большинство живых организмов зависит от кислорода. Обладая высокой химической активностью, он способен окислять («забирать» электроны) у многих химических веществ. Эти реакции происходят с выделением энергии необходимой для поддержания всех жизненных процессов организма. Процесс окисления органических веществ кислородом происходит в митохондриях живых клеток и называется клеточным дыханием.
• Лавуазье открыл, что вода — соединение водорода и кислорода. До этого вода считалась простым веществом.
• Озон, (молекулы которого содержат 3 атома кислорода) составляет 0,00006 % воздуха. Он образуется при диссоциации (распаде) двухатомных молекул кислорода под действием ультрафиолетовых лучей солнечного спектра.
• Ученые NASA нашли в экзосфере (верхнем слое атмосферы) спутника Сатурна Дионы кислород. Данное открытие, по словам исследователей, подтверждает теорию о том, что в атмосфере большинства спутников газовых гигантов Юпитера и Сатурна содержится кислород. Одновременно профессор Лондонского университета Эндрю Коатс заявил, что на Дионе не обнаружено признаков наличия воды, а следовательно, она непригодна для жизни. Однако, отметил ученый, на других спутниках удалось обнаружить наличие льда и воды, а это значит, что там могут быть обнаружены формы жизни.

Литература

• Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Ф. А. Деркач «Химия» Л. 1968
• Малая горная энциклопедия . В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого . — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3 .
• Михаличко Б. М. Курс общей химии. Теоретические основы: Учебное пособие. — М .: Знание, 2009. — 548 с. ISBN 978-966-346-712-2
• Кириченко В. И. Общая химия: Учебное пособие. — К .: Высшая школа, 2005. — 639 с . — (ил.) ISBN 966-642-182-8