Кислород

Кислоро́д(химический символ—O, отлат.Oxygenium) —химический элемент16-й группы(поустаревшей классификации— главной подгруппы шестой группы, VIA)второго периодапериодической системыД. И. Менделеевасатомным номером8.
Кислород — химически активныйнеметалл, является самым лёгким элементом из группыхалькогенов.
Какпростое вещество(принормальных условиях)кислород—газбезцвета,вкусаизапаха,молекулакоторого состоит из двухатомов(формула — O2).Систематическое название:дикислород.Жидкий кислород(при низких температурах) имеет светло-голубой цвет, а твёрдый (при низких температурах) представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
Существуют и другиеаллотропные формыкислорода, например,озон— при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3).Систематическое название:трикислород. Часто можно почувствовать запах озона послегрозы. Озон образуетозоновый слойвстратосфере, который образуется там за счёт ионизации кислородаультрафиолетом.
Официально считается, что кислород был открыт английским химикомДжозефом Пристли1 августа1774 годапутём термического разложенияоксида ртутив герметично закрытом сосуде (для нагрева вещества Пристли направлял на него солнечные лучи сфокусированные большой линзой). Реакция разложения оксида ртути:
Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новоепростое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём наблюдении Пристли сообщил выдающемуся французскому химикуАнтуану Лавуазье. В1775 годуЛавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.
Несколькими годами ранее (в1771 году) кислород также получил шведский химикКарл Шееле. Он прокаливалселитруссерной кислотойи затем разлагал образующийсяоксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в1777 годукниге (именно потому, что эта книга была 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 химикаПьера Байена, который опубликовал работы по окислениюртутии последующему разложению её оксида.
Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела очень большое значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химиифлогистонная теория. Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по изменению веса сожжённых 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.
Словокислород(именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязаноМ. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другиминеологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилоськалькойтермина «оксиген» (фр.oxygène), предложенного А. Лавуазье (отдр.-греч.ὀξύς— «кислый» иγεννάω— «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международнойноменклатуреоксидами.
Кислород —самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образомсиликатов) приходится около60 %массыземной коры. В морской и пресной воде содержание связанного кислорода по массе —85,82 %.
Известно более 1500минералов, содержащих кислород.
Ватмосфереконцентрация свободного кислорода20,95 %по объёму и23,10 %по массе (всего около 10тонн). Однако до появления первых фотосинтезирующих микроорганизмов вархее3,5 млрд лет назад в атмосфере его практически не было. Свободный кислород в больших количествах начал появляться впалеопротерозое(3—2,3 млрд лет назад) в результате глобального изменения состава атмосферы (эта эпоха получила названиекислородная катастрофа). Первый миллиард лет после появления фотосинтезирующих организмов практически весь образующийся кислород поглощался растворёнными в океанах соединениями железа и при этом формировались залежиджеспилита. 3—2,7 млрд лет назад кислород начал накапливаться в атмосфере и 1,7 млрд лет назад его концентрация достигла10 %от нынешнего уровня.
Повышение концентрации растворённого кислорода в воде океанов и свободного кислорода в атмосфере привело к вымиранию большинстваанаэробных организмов. Но клеточное кислородное дыхание позволило аэробным организмам производить гораздо большеАТФ, чем анаэробным, и сделало их доминирующими организмами.
С началакембрия540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от15 %до30 %по объёму. К концукаменноугольного периода(около 300 миллионов лет назад) его концентрация достигла максимума в35 %по объёму, такое содержание кислорода в воздухе, возможно, способствовало увеличению размеров тела насекомых и земноводных в эту эпоху.
Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. Около60 %кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения,80 %кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов.
Деятельность человека очень слабо влияет на количество свободного кислорода в атмосфере. Если кислород в атмосфере исчезнет, то при нынешних темпах фотосинтеза понадобится около 2000 лет, чтобы восстановить его прежнее содержание в атмосфере.
Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых организмах. По числу атомов в живых клетках его около25 %,по массовой доле — около65 %.
В 2016 году датские учёные доказали, что свободный кислород присутствовал в атмосфере уже 3,8 млрд лет назад.
В 2024 году был обнаружен абиогенный источник свободного кислорода, так называемый «тёмный кислород», который производятжелезомарганцевые конкреции, найденные вглубоких слоях океана, куда не проникает свет, что исключает возможность образования в результатефотосинтеза.
Принормальных условияхкислород — этогазбез цвета, вкуса и запаха.
1 л его при нормальных условиях имеет массу1,429 г, то есть немного тяжелеевоздуха. Слабо растворяется вводе(4,9 мл/100 гпри0 °C,2,09 мл/100 гпри+50 °C)испирте(2,78 мл/100 гпри+25 °C).Хорошо растворяется в расплавленномсеребре(22 объёма O2в 1 объёме Ag при+961 °C).Хорошо растворяется в перфторированных углеводородах(20—40 об %).
Межатомное расстояние —0,12074 нм.Являетсяпарамагнетиком. В жидком виде притягивается магнитом.
При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимаядиссоциацияна атомы, концентрация диссоциированных атомов в смеси при+2000 °C—0,03 %,при+2600 °C—1 %,+4000 °C—59 %,+6000 °C—99,5 %.
Жидкий кислородкипит под давлением101,325 кПапри температуре−182,98 °Cи представляет собой бледно-голубуюжидкость.Критическая температуракислорода 154,58 К (−118,57 °C), критическое давление4,882 МПа.
Твёрдый кислород (температура плавления−218,35 °C)— синиекристаллы. Всего известно шестькристаллических фазкислорода.
Три твёрдые фазы устойчивы при нормальном давлении (1атм):
При высоких давлениях известны ещё три фазы:
Сильный окислитель, самый химически активный неметалл послефтора, образует бинарные соединения со всеми химическими элементами, кромегелия,неона,аргона; наиболее характернаястепень окислениякислорода в них составляет −2 (оксиды). Как правило, реакции окисления с участием кислорода протекают с выделением тепла и ускоряются при повышении температуры (см.Горение). Примеры реакций, протекающих при комнатной температуре:
Окисляет соединения, в которых элементы находятся не в максимальной степени окисления:
Окисляет большинствоорганических соединенийв реакцияхгорения:
При определённых условиях можно провести неполное окисление органического соединения:
Кислород реагирует непосредственно (принормальных условиях, при нагревании и/или в присутствиикатализаторов) почти со всеми простыми веществами, кромеблагородных металловиинертных газов(He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn); реакции сгалогенамипроисходят под воздействием электрического разряда илиультрафиолетового облучения. Косвенным путём могут быть получены оксиды благородных металлов и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех своих бинарных соединениях кислород имеет отрицательную степень окисления, кроме соединений со фтором (см. ниже#Фториды кислорода).
Кислород образуетпероксидысо степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.
В этой реакции кислород проявляетвосстановительныесвойства.
Кислород поддерживает процессыдыхания,горения,гниения.
В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O2и O3(озон). Как установили в1899 годуПьер КюрииМария Склодовская-Кюри, под воздействиемионизирующего излученияO2переходит в O3.
В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха.
Основным промышленным способом получения кислорода является криогеннаяректификация.
Также применяются в промышленностикислородные установки, работающие на основе мембранного разделения воздуха и технологии, использующие адсорбционные методы.
В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15МПа.
Небольшие количества кислорода можно получать нагреваниемперманганата калияKMnO4{\displaystyle {\ce {KMnO4}}}:
Используют также реакциюкаталитическогоразложенияпероксида водородаH2O2{\displaystyle {\ce {H2O2}}}в присутствииоксида марганца(IV):
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли)KClO3{\displaystyle {\ce {KClO3}}}:
Разложениеоксида ртути(II){{{1}}}было первым методом получения кислорода:
К лабораторным способам получения кислорода относится методэлектролизаразбавленных водных растворов щелочей, кислот и некоторых солей (сульфатов, нитратов щелочных металлов):
На подводных лодках и орбитальных станциях обычно получается реакциейпероксида натрияиуглекислого газа, выдыхаемого человеком:
Для соблюдения баланса объёмов поглощённого углекислого газа и выделившегося кислорода, к нему добавляютнадпероксид калия. В космических кораблях для уменьшения веса иногда используетсяпероксид лития.
Широкое промышленное применение кислорода началось в серединеXX века, после изобретениятурбодетандеров— устройств для получения жидкого воздуха.
Конвертерныйспособ производствасталиили переработкиштейновсвязан с применением кислорода. Во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха вгорелкахиспользуют кислородно-воздушную смесь.
Кислород в баллонахголубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.
В качествеокислителядляракетного топливаприменяетсяжидкий кислород,пероксид водорода,азотная кислотаи другие богатые кислородом соединения.
Смесь жидкого кислорода и жидкогоозона— один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для парыводород-фториводород-фторид кислорода).
Медицинский кислород хранится в металлическихгазовых баллонахвысокого давления голубого цвета различной ёмкости от 1,2 до 10,0литровпод давлением до 15 МПа (150атм) и используется для обогащения дыхательных газовых смесей внаркознойаппаратуре, при нарушениидыхания, для купирования приступабронхиальной астмы, устранениягипоксиилюбого генеза, придекомпрессионной болезни. Крупные медицинские учреждения могут использовать не сжатый кислород в баллонах, а сжиженный всосуде Дьюарабольшой ёмкости. 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 (поманометруредуктора) 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 кислород зарегистрирован в качествепищевой добавкиE948, как пропеллент и упаковочный газ.
В химической промышленности кислород используют как реактив-окислитель в многочисленныхсинтезах, например, окисления углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты,альдегиды,кислоты),диоксид серывтриоксид серы,аммиакавоксиды азотав производствеазотной кислоты. Вследствие высоких температур, развивающихся приокислении, последние описанные реакции часто проводят в режимегорения.
В тепличном хозяйстве для изготовлениякислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды врыбоводстве.
Кислород является одним избиогенных элементов; большинство соединений, входящих в состав живых организмов: вода, кислоты, эфиры, альдегиды и кетоны, спирты и амины, азотистые основания (кроме аденина), соединения и полимеры смешанного состава, такие как, например, нуклеиновые кислоты или хитин, содержат кислород. Как правило, в молекуле он либо связан с углеродным скелетом, либо входит в состав неметаллических боковых групп, например -NO2.
O2— побочный продукт кислородногофотосинтеза(представляет собой окисленный кислород воды) и акцептор электронов для организмов скислородным типом клеточного дыхания(аэробов), в конце этого процесса он превращается в кислород воды. Выделение кислорода фотосинтетиками превышает их собственное потребление, благодаря чему могут существовать экосистемы, по большей части состоящие из аэробов.
Широко используется кислород в медицине. Присердечно-сосудистых заболеванияхдля улучшения обменных процессов вжелудоквводили кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах,слоновости,гангренеи других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевойводыприменяют искусственное обогащениеозоном. Радиоактивный изотоп кислородаO применяется для исследований скорости кровотока,лёгочной вентиляции.
Некоторые производные кислорода (т. н.реактивные формы кислорода), такие, каксинглетный кислород,пероксид водорода,супероксид,озонигидроксильный радикал, являются токсичными и реакционноспособными 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 вызываютоксидативный стресс.
Длительное вдыхание чистого кислорода может иметь опасные последствия для организма. Безопасно длительно дышать при обычном давлении смесями, содержащими до60 %кислорода, вдыхая и выдыхая через нос, посколькузубная эмальи верхние дыхательные пути особенно страдают от контакта с чистым кислородом. Дыхание90 %кислородом в течение 3 суток приводит ктахикардии, рвоте,пневмонии, судорогам. При повышении давления токсическое действие кислорода ускоряется и усиливается. Молодые люди более чувствительны к токсическому действию кислорода, чем пожилые.
Кислород имеет три стабильных изотопа:O,O иO, среднее содержание которых составляет соответственно99,759 %,0,037 %и0,204 %от общего числа атомов кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого из нихO связано с тем, что ядро атомаO состоит из 8протонови 8нейтронов(дваждымагическое ядрос заполненными нейтронной и протонной оболочками). А такие ядра, как следует из теории строения атомного ядра, обладают особой устойчивостью.
Также известны радиоактивные изотопы кислорода смассовыми числамиотO доO. Все радиоактивные изотопы кислорода имеют малыйпериод полураспада, наиболее долгоживущий из них —O с периодом полураспада ~120 секунд. Наиболее краткоживущий изотопO имеет период полураспада 5,8⋅10секунд.
Комментарии
Источники
Из БРЭ: