Кислород газ. Свойства, добыча, применение и цена кислорода
Одним из важнейших элементов на нашей планете является кислород. Химические свойства этого вещества позволяют ему участвовать в биологических процессах, а повышенная активность делает кислород значимым участником всех известных химических реакций. В свободном состоянии это вещество имеется в атмосфере. В связанном состоянии кислород входит в состав минералов, горных пород, сложных веществ, из которых состоят различные живые организмы. Общее количество кислорода на Земле оценивается в 47% общей массы нашей планеты.
Обозначение кислорода
В периодической системе кислород занимает восьмую ячейку этой таблицы. Его международное название oxigenium. В химических записях он обозначается латинской литерой «О». В естественной среде атомарный кислород не встречается, его частички соединяются, образуя парные молекулы газа, молекулярная масса которого равна 32 г/моль.
Воздух и кислород
Воздух представляет смесь нескольких распространенных на Земле газов. Больше всего в воздушной массе азота - 78,2% по объему и 75,5 % по массе. Кислород занимает лишь второе место по объему - 20,9%, а по массе - 23,2%. Третье место закреплено за благородными газами. Остальные примеси - углекислый газ, водяной пар, пыль и прочее - занимают лишь доли процента в общей воздушной массе.
Вся масса естественного кислорода является смесью трех изотопов - 16 О, 17 О, 18 О. Процентное содержание этих изотопов в общей массе кислорода равно 99,76%, 0,04% и 0,2% соответственно.
Физические и химические свойства кислорода
Один литр воздуха при нормальных условиях весит 1,293 г. При понижении температуры до -140⁰С воздух становится бесцветной прозрачной жидкостью. Несмотря на низкую температуру кипения воздух можно сохранять в жидком состоянии даже при комнатной температуре. Для этого жидкость нужно поместить в так называемый сосуд Дьюара. Погружение в жидкий кислород коренным образом меняет обычные свойства предметов.
Кислород растворяется в воде, хотя и в небольших количествах - морская вода содержит 3-5% кислорода. Но даже такое небольшое количество этого газа положило начало существованию рыб, моллюсков и различных морских организмов, которые получают кислород из воды для поддержания процессов собственного жизнеобеспечения.
Строение атома кислорода
Описанные свойства кислорода в первую очередь объясняются внутренним строением этого элемента.
Кислород относится к главной подгруппе шестой группы элементов периодической системы. Во внешнем электронном облаке элемента находятся шесть электронов, четыре из которых занимают p-орбитали, а оставшиеся два располагаются на s-орбиталях. Такое внутреннее строение обуславливает большие энергетические затраты, направленные на разрывание электронных связей - атому кислорода проще заимствовать два недостающих электрона на внешнюю орбиталь, чем отдать свои шесть. Поэтому ковалентность кислорода в большинстве случаев равна двум. Благодаря двум свободным электронам кислород легко образует двухатомные молекулы, которые характеризуются высокой прочностью связи. Лишь при прилагаемой энергии свыше 498 Дж/моль молекулы распадаются, и образуется атомарный кислород. Химические свойства этого элемента позволяют ему вступать в реакции со всеми известными веществами, исключая гелий, неон и аргон. Скорость взаимодействия зависит от температуры реакции и от природы вещества.
Химические свойства кислорода
С различными веществами кислород вступает в реакции образования оксидов, причем эти реакции характерны и для металлов, и для неметаллов. Соединения кислорода с металлами называют основными оксидами - классическим примером служит оксид магния и оксид кальция. Взаимодействие оксидов металлов с водой приводит к образованию гидроксидов, подтверждающих активные химические свойства кислорода. С неметаллами это вещество образует кислотные оксиды - например, триоксид серы SO 3. При взаимодействии этого элемента с водой получается серная кислота.
Химическая активность
С подавляющим большинством элементов кислород взаимодействует непосредственно. Исключение составляют золото, галогены и платина. Взаимодействие кислорода с некоторыми веществами значительно ускоряется при наличии катализаторов. Например, смесь водорода и кислорода в присутствии платины вступает в реакцию даже при комнатной температуре. С оглушительным взрывом смесь превращается в обычную воду, важной составной частью которой является кислород. Химические свойства и высокая активность элемента объясняют выделение большого количества света и теплоты, поэтому химические реакции с кислородом часто называются горением.
Горение в чистом кислороде происходит гораздо интенсивнее, чем в воздухе, хотя количество теплоты, выделяемой при реакции, будет приблизительно одинаковым, но процесс из-за отсутствия азота протекает гораздо быстрее, а температура горения становится выше.
Получение кислорода
В 1774 году английский ученый Д. Пристли выделил неизвестный газ из реакции разложения оксида ртути. Но ученый не связал выделенный газ с уже известным веществом, входящим в состав воздуха. Лишь несколько лет спустя великий Лавуазье изучил физико-химические свойства кислорода, полученного в данной реакции, и доказал его идентичность с газом, входящим в состав воздуха. В современном мире кислород получают из воздуха. В лабораториях использую промышленный кислород, который поставляется баллонами под давлением около 15 Мпа. Чистый кислород можно получить и в лабораторных условиях, стандартным способом его получения является термическое разложение перманганата калия, которое протекает по формуле:
Получение озона
Если через кислород или воздух пропустить электричество, то в атмосфере появится характерный запах, предвещающий появление нового вещества - озона. Озон можно получить и из химически чистого кислорода. Образование этого вещества можно выразить формулой:
Данная реакция самостоятельно протекать не может - для ее успешного завершения необходима внешняя энергия. Зато обратное превращение озона в кислород происходит самопроизвольно. Химические свойства кислорода и озона разнятся во многом. Озон отличается от кислорода плотностью, температурой плавления и кипения. При нормальных условиях этот газ имеет голубой цвет и обладает характерным запахом. Озон обладает большей электропроводностью и лучше растворяется в воде, чем кислород. Химические свойства озона объясняются процессом его распада - при разложении молекулы этого вещества образуется двухатомная молекула кислорода плюс один свободный атом этого элемента, который агрессивно реагирует с другими веществами. Например, известна реакция взаимодействия озона и кислорода: 6Ag+O 3 =3Ag 2 O
А вот обычный кислород не соединяется с серебром даже при высокой температуре.
В природе активный распад озона чреват образованием так называемых озоновых дыр, которые подвергают угрозе жизненные процессы на нашей планете.
Историческая справка
Впервые кислород получил шведский химик К. В. Шееле в 1772 г. Он считал кислород главной составной частью атмосферного воздуха и назвал его «горючим газом». Обычно открытие кислорода приписывают английскому химику Дж. Пристли, так как он опубликовал свои работы раньше, в 1774 г., а первое сообщение Шееле было напечатано в 1777 г.
Изучением свойств кислорода занимался А. Л. Лавуазье, который и дал элементу название кислород.
Кислород - самый распространенный элемент на Земле. В свободном состоянии кислород входит в состав воздуха, где его содержание составляет 20,95% (по объему). Содержание в земной коре составляет 47,2% (по массе).
Кислород - важная составная часть углеводов, жиров, белков, в человеческом организме содержится около 65% кислорода. Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов: l6 8 0 , ^О, ! |0. Кислород существует в виде двух аллотропных модификаций - молекулярный кислород, или дикислород, 0 2 и озон, или трикислород, 0 3 . Наиболее устойчива молекула 0 2 , обладающая парамагнитными свойствами.
Молекула кислорода 0 2 обладает необычным строением. Представление о структуре 0=0 с двойной связью неверно, поскольку с помощью современных спектроскопических и магнитных исследований установлено, что в 0 2 имеется два неспаренных электрона. На восемь связывающих электронов приходится четыре разрыхляющих, поэтому порядок связей равен 2. Магнитные поля неспаренных электронов в молекуле 0. ; не компенсированы противоположно направленными спинами. Следует напомнить, что ковалентная связь образуется неспаренными электронами, имеющими противоположный спин. Для кислорода связь осуществляется только одной парой электронов, и у каждого атома остается по одному неспаренному электрону. Следовательно, структурная формула кислорода должна иметь вид
Тремя точками обозначены связи, обусловленные двумя л св - и одним л разр -э ле к т р оном, что отвечает порядку связи 0,5. Образование этих связей сопровождается выделением достаточного количества теплоты (около 493,7 кДж/моль), чем и объясняется прочность связи в молекулярном кислороде. Такое своеобразное строение молекулы кислорода и объясняет его парамагнитные свойства во всех трех агрегатных состояниях.
При возбуждении молекул парамагнитные свойства теряются и 0 2 становится диамагнитным.
Подобно молекуле NO, которая имеет неспаренный электрон на разрыхляющей л-орбитали, молекулы О., очень слабо ассоциируют, поэтому спаривания с образованием симметричных частиц 0 4 не происходит даже в твердом состоянии.
Молекула 0 3 имеет симметричную угловую структуру: угол О-О-О равен 117°, длина связи 0-0 равна 0,128 нм, а в О, - 0,121 нм.
В молекуле 0 3 связи 0=0 имеют двойной характер, что с точки зрения резонанса может быть изображено следующими структурами:
В лабораторных условиях кислород можно получить следующими способами:
а) разложением бертолетовой соли:
б) разложением перманганата калия:
в) нагреванием нитратов щелочных металлов (NaN0 3 , KN0 3); при этом выделяется в свободном состоянии лишь 1/3 содержащегося в них кислорода:
Основным источником промышленного получения кислорода является воздух, который сжижают и затем фракционируют. Вначале выделяется азот (Г К11П = -195,8°С), а в жидком состоянии остается почти чистый кислород, гак как его температура кипения выше (-183°С). Этот процесс экономически выгоден, так как наряду с кислородом получают в больших масштабах и азот, который используется в синтезе аммиака.
Широко распространен способ получения кислорода, основанный на электролизе воды.
Свойства кислорода и его соединений. При нормальных условиях кислород - бесцветный газ без запаха и вкуса, тяжелее воздуха (1 л весит 1,43 г). В 1 л воды при нормальных условиях растворяется 0,04 г кислорода.
Имея на наружной электронной оболочке шесть электронов, атом кислорода может прийти к предельно заполненной 8-электронной оболочке (условие максимальной химической устойчивости) двумя путями: либо присоединив два электрона, либо отдав свои шесть. Второй путь неприемлем. Поэтому в реакциях с атомами других элементов (кроме фтора) кислород проявляет исключительно окислительные свойства. Кислород может достраивать свою электронную оболочку до конфигурации неона следующими путями:
- а) принимать электроны с образованием О 2- ;
- б) образовывать две простые ковалентные связи -О- или двойную связь 0=;
- в) образовывать одну простую связь и принимать электрон, как в ОН-;
- г) образовывать три или четыре ковалентные связи, как в ионе оксония
Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, неона и аргона. С большинством элементов он взаимодействует непосредственно, кроме галогенов, золота и платины.
Скорость взаимодействия кислорода как с простыми, так и со сложными веществами зависит от природы веществ и от температуры. Для развития активной реакции кислорода необходимо нагревание, чтобы преодолеть потенциальный барьер, препятствующий химическому процессу. Энергия активации в разных реакциях различна.
Такой активный металл, как цезий, самовозгорается в кислороде воздуха уже при комнатной температуре:
С фосфором кислород активно реагирует при нагревании до 60°С, с серой - до 250°С, с водородом - более 300°С, с углеродом (в виде угля и графита) - при 700-800°С.
Реакция горения водорода в кислороде протекает очень бурно (см. параграф 1.3).
Диапазон изменений свойств оксидов определяется прежде всего природой связи (от чисто ионной до чисто ковалентной), что находится в полном соответствии с отрицательной степенью окисления элемента и его положением в периодической системе.
Для образования оксид-иона О 2- из молекулярного кислорода затрачивается около 1000 кДж/моль:
При образовании ионных оксидов металлов необходимо затратить энергию на испарение и ионизацию металла. Существование большого числа оксидов этого тина - следствие высоких энергий кристаллических решеток, содержащих двухзарядные ионы О 2 . Если энергия решетки недостаточна для обеспечения энергии полной ионизации, то образуются оксиды, обладающие более выраженным ковалентным характером: BeO, Si0 2 , В 2 0 3 и т.д.
Чисто ковалентные молекулярные оксиды - соединения типа С0 2 , N0 2 и т.д., для которых характерны кратные связи, хотя ковалентные оксиды могут образовываться и за счет только простых связей (Р 4 О 10). Ионы О 2 в виде дискретных частиц существуют во многих оксидах, однако в водных растворах вследствие реакции гидролиза они могут распадаться:
Нерастворимые в воде ионные оксиды в этот процесс не вовлекаются, но зато растворяются в разбавленных кислотах:
Ковалентные оксиды неметаллов в своем большинстве растворяются в воде с образованием кислот, поэтому они относятся к кислотным оксидам:
В оксидах типа R 2 0 ковалентный кислород двухкоординирован и связи образуются за счет $р 3 -гибридных орбиталей, причем две из них участвуют в ковалентном связывании, а две другие заняты неподеленными электронными парами. Углы R-О-R в молекулах сильно меняются в зависимости от природы R и отличаются от тетраэдрических.
Если связанный с кислородом атом имеет rf-орбитали, которые в той или иной степени могут участвовать в б/л-рл-связывании, то углы могут иметь большие значения.
В соответствии с природой элемента в положительной степени окисления характер оксидов в периодах и группах изменяется закономерно. В периодах с увеличением заряда ядра уменьшается отрицательный эффективный заряд на атоме кислорода и осуществляется переход от основных оксидов к кислотным через амфотерные, что наглядно прослеживается на примере третьего периода:
В ряду Na 2 0 - MgO - А1 2 0 3 способность взаимодействовать с Н 2 0 ослабляется, а в ряду Р 2 0 5 - S0 3 - С1 2 0 7 - наоборот, усиливается.
В гидроксидах наиболее электроположительных элементов содержатся дискретные ионы ОН". При растворении в воде эти ионы распадаются с образованием гидратированных ионов металла и гидроксид-ионов:
Такие вещества представляют собой сильные основания. Если же связь Э-О является чисто ковалентной, то диссоциация в той или иной степени протекает по схеме
Их следует рассматривать как кислоты.
Образование оксониевых ионов происходит так же, как и NHJ:
Кислород менее основен, чем азот, поэтому оксониевый ион менее устойчив. Хотя в Н э О + остается пеподеленная пара электронов, электростатическое отталкивание между этими ионом и протоном препятствует их соединению.
Пероксиды и сунероксиды (наднероксиды) формально можно рассматривать как производные Of" и Of соответственно. Пероксид водорода Н 2 0 2 подробно рассматривался в гл. 11. Здесь речь будет идти о пероксидах и надпероксидах, образованных другими элементами. Молекула 0 2 , присоединяя два электрона, превращается в нероксид-ион Of", в котором атомы связаны одной двухэлектронной связью, поэтому он диамагнитен:
Щелочные металлы, а также Са, Sr и Ва образуют ионные пероксиды, многие из которых - легко кристаллизующиеся гидраты: Na. ; O v *8H 2 0; Ме 2+ 0 2 -8Н 2 0.
Эти пероксиды содержат дискретные ионы Of", которые связаны водородными связями с молекулами воды и образуют цепи типа
Пероксиды проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства, что зависит от свойств партнера в данных типах реакций. Так, в кислой среде в присутствии восстановителей пероксиды ведут себя как типичные окислители, а в присутствии сильных окислителей проявляют восстановительные свойства.
Если молекула 0 2 присоединяет один электрон, то образуется наднерок- сид ион О.;:
Надпсроксиды известны для наиболее активных щелочных металлов и получаются непосредственным взаимодействием кислорода с калием, рубидием или цезием:
Ион 0 2 имеет один неспаренный электрон и является мощным окислителем:
Вследствие электроположительной поляризации возможно образование иона Of. Этот ион называется оксигенильным катионом.
Простейшим соединением, содержащим этот катион, является OF 2 , который образуется по уравнению реакции
Молекула OF 2 имеет угловую форму:
Оксигенильный катион образуется также при взаимодействии PtF 6 с кислородом:
В диоксидифториде 0 2 F 2 радикал-ион 0; ;+ ковалентно связан с атомами фтора. Образование этого соединения протекает по уравнению реакции
Комплексы кислорода образуются при взаимодействии молекулярного кислорода с комплексами переходных металлов. Однако в некоторых случаях молекула 0 2 способна сама быть лигандом. Такое взаимодействие комплексов с кислородом, при которых идет присоединение 0 2 , называется оксигенированием. Эти реакции в своем большинстве обратимые, но уже получены устойчивые комплексы молекулярного кислорода с железом, рутением, родием, иридием, никелем, палладием и платиной. Установлено, что в образовании связи металл - кислород принимают участие как а-, так и тс-орбитали атомов кислорода. Между длиной связи 0-0 и устойчивостью комплекса существует определенная взаимосвязь: соединения с наиболее длинными связями 0-0 образуются необратимо. Строение таких комплексов можно описать набором из трех простых связей: двух Me-О и одной 0-0. Примером образования комплексов с 0 2 может служить реакция
где Ph - фенильный радикал С 6 Н 5 .
Озон, или трикислород, - аллотропическое видоизменение кислорода. Его молекула состоит из трех атомов. При обычных условиях О э - газ с характерным запахом. В газообразном состоянии имеет голубой цвет, а в жидком - темно-синий.
Образование озона из кислорода протекает с поглощением энергии. При этом молекула кислорода распадается на свободные атомы, которые далее реагируют с другими молекулами кислорода:
Из этого следует, что молекула озона формируется, когда есть возможность образования свободных атомов кислорода. Так, при пропускании электрического разряда через кислород получается небольшое количество озона. Аналогичный эффект наблюдается при нагревании кислорода (до 2000°С), при действии ультрафиолетового света, при электролизе растворов кислот с применением инертных электродов и т.д.
В химическом отношении озон является весьма реакционноспособным, что объясняется легкостью его разложения:
Поэтому озон обладает сильнейшими окислительными свойствами. Большинство малоактивных металлов уже на холоде легко окисляется озоном:
В окислительное взаимодействие с озоном вступают сульфиды, иодиды:
Обладая значительным сродством к электрону, 0 3 может переходить в озонид-ион 0 3 , который образуется при взаимодействии, например, щелочных металлов с О э:
Озониды металлов характеризуются наличием в ионе 0 3 непарного электрона, обусловливающего парамагнетизм и характерную окраску озонидов.
Биологическая роль кислорода. По содержанию в организме человека кислород относится к макроэлементам. Он незаменим и принадлежит к числу важнейших элементов, составляющих основу живых систем, т.е. является органогеном.
Рассмотрим некоторые препараты, содержащие кислород.
Кислород очень широко используется при лечении заболеваний, сопровождающихся кислородной недостаточностью (гипоксией), при заболеваниях дыхательных путей (пневмония, отек легких), сердечно-сосудистой системы (декомпенсация сердца, коронарная недостаточность), при отравлениях IICN, удушающими газами, а также при других заболеваниях с нарушением функции дыхания и окислительных процессов. Обычно используют смесь (0 9 - 95% и С0 9 - 5%), называемую карбогеном.
Пероксид магния (магния пероксид) MgO, в смеси с MgO применяется как комбинированный препарат, оказывающий антисептическое действие и связывающий ЫС1 желудочного сока при повышенной кислотности:
Гидроперит - препарат, содержащий комплексное соединение Н 2 0 2 с мочевиной:
Его применяют наружно как антисептик вместо Н 2 0 2 .
Надпероксиды также находят широкое применение благодаря их способности поглощать С0 2 и регенерировать 0 2 в замкнутых системах, например космических аппаратах, подводных лодках и т.д..
Ком в горле — это кислород . Выяснено, что в состоянии стресса у расширяется голосовая щель. Она находится посредине гортани, ограничена 2-мя мышечными складками.
Они-то и давят на близлежащие ткани, создавая ощущение кома в горле. Расширение щели – следствие повышенного потребления кислорода. Он помогает справиться со стрессом. Так что, пресловутый ком в горле можно назвать кислородным.
8-ой элемент таблицы привычен в форме . Но, бывает и жидкий кислород. Элемент в таком состоянии магнитится. Впрочем, о свойствах кислорода и плюсах, которые из них можно извлечь, поговорим в основной части .
Свойства кислорода
За счет магнитных свойств кислород перемещают с помощью мощных . Если же говорить об элементе в привычном состоянии, он сам способен перемещать, в частности, электроны.
Собственно, на окислительно-восстановительном потенциале вещества строится система дыхания . Кислород в ней – конечный акцептор, то есть принимающий агент.
Донорами выступают ферменты. Вещества, окисленные кислородом, выделяются во внешнюю среду. Это углекислый . В час его вырабатывается от 5-ти до 18-ти литров.
Еще 50 граммов выходит воды. Так что обильное питье – обоснованная рекомендация медиков. Плюсом, побочными продуктами дыхания служат около 400-от веществ. Среди них есть ацетон. Его выделение усиливается при ряде заболеваний, к примеру, диабете.
В процессе дыхания участвует обычная модификация кислорода – О 2 . Это двухатомная молекула. В ней 2 неспаренных электрона. Оба находятся на разрыхляющих орбиталях.
На них больший энергетический заряд чем на связывающих. Поэтому, молекула кислорода легко распадается на атомы. Энергия диссоциации доходит почти до 500-от килоджоулей на моль.
В естественных условиях кислород – газ с почти инертными молекулами. В них сильная межатомная связь. Процессы окисления протекают едва заметно. Для ускорения реакций нужны катализаторы. В организме ими выступают ферменты. Они провоцируют образование радикалов, которые и возбуждают цепной процесс.
Катализатором химических реакций с кислородом может стать температура. 8-ой элемент реагирует даже на небольшой нагрев. Жар дает реакции с водородом, метаном и прочими горючими газами.
Взаимодействия протекают со взрывами. Не зря же взорвался один из первых в истории человечества дирижаблей. Он наполнялся водородом. Воздушное судно звалось «Гинденбург», крушение потерпело в 1937-ом.
Нагрев позволяет кислороду создавать связи со всеми элементами таблицы Менделеева, кроме инертных газов, то есть аргона, неона и гелия. Кстати, гелий стал заменой для наполнения дирижаблей.
В реакции газ не вступает, только вот стоит дорого. Но, вернемся к герою статьи. Кислород – химический элемент , взаимодействующий с металлами уже при комнатной температуре.
Ее же достаточно для контакта с некоторыми сложными соединениями. К последним относятся оксиды азота. А вот с простым азотом химический элемент кислород реагирует лишь при 1 200-от градусах Цельсия.
Для реакций героя статьи с неметаллами нужен нагрев хотя бы до 60-ти градусов Цельсия. Этого достаточно, к примеру, для контакта с фосфором. С серой герой статьи взаимодействует уже при 250-ти градусах. Кстати, сера входит в элементы подгруппы кислорода . Она главная в 6-ой группе таблицы Менделеева.
С углеродом кислород взаимодействует при 700-800-от градусах Цельсия. Имеется в виду окисление графита. Этот минерал – одна из кристаллических форм углерода.
Кстати, окисление – роль кислорода в любых реакциях. Большинство из них протекает с выделением света и тепла. Попросту говоря, взаимодействие веществ приводит к горению.
Биологическая активность кислорода обусловлена растворимостью в воде. При комнатной температуре в ней диссоциируют 3 миллилитра 8-го вещества. Расчет ведется на 100 миллилитров воды.
Большие показатели элемент показывает в этаноле и ацетоне. В них растворяются 22 грамма кислорода. Максимальная же диссоциация наблюдается в жидкостях, содержащих фтор, к примеру, перфторбутитетрагидрофуране. На 100 его миллилитров растворяются почти 50 граммов 8-го элемента.
Говоря о растворенном кислороде, упомянем его изотопы. Атмосферному причислен 160-ый номер. Его в воздухе 99,7%. 0,3% приходятся на изотопы 170 и 180. Их молекулы тяжелее.
Связываясь с ними, вода с трудом переходит в парообразное состояние. Вот в воздух и поднимается лишь 160-я модификация 8-го элемента. Тяжелые изотопы остаются в морях и океанах.
Интересно, что кроме газообразного и жидкого состояний, кислород бывает твердым. Он, как и жидкая версия, образуется при минусовых температурах. Для водянистого кислорода нужны -182 градуса, а для каменного минимум-223.
Последняя температура дает кубическую решетку кристаллов. От -229-ти до -249-ти градусов Цельсия кристаллическая структура кислорода уже гексагональная. Искусственно получены и прочие модификации. Но, для них кроме пониженных температур требуется повышенное давление.
В привычном состоянии кислород относится к элементам с 2-мя атомами, не имеет цвета и запаха. Однако, существует 3-атомная разновидность героя статьи. Это озон.
У него появляется выражено свежий аромат. Он приятен, но токсичен. Отличием от обычного кислорода является, так же, большая масса молекул. Атомы сходятся воедино при грозовых разрядах.
Поэтому, запах озона чувствуется после ливней. Чувствуется аромат и на больших высотах в 10-30 километров. Там образование озона провоцирует ультрафиолет. Атомы кислорода захватывают излучение солнца, соединяясь в крупные молекулы. Это, собственно, уберегает человечество от радиации.
Добыча кислорода
Промышленники добывают героя статьи из воздуха. Его очищают от паров воды, угарного газа и пыли. Затем, воздух сжижают. После очистки остается лишь азот и кислород. Первый испаряется при -192-ух градусах.
Кислород остается. Но, российские ученые обнаружили кладезь уже сжиженного элемента. Находится он в мантии Земли. Ее еще называют геосферой. Расположен слой под твердой корой планеты и над ее ядром.
Установить там знак элемента кислород помог лазерный пресс. Работали с ним в синхротронном центре DESY. Он находится в Германии. Изыскания проводились совместно с немецкими учеными. Вместе же подсчитали, что содержание кислорода в предполагаемой прослойке мании в 8-10 раз больше, чем в атмосфере.
Уточним практику вычисления глубинных рек кислорода. Физики работали с оксидом железа. Сдавливая и нагревая его, ученые получали все новые оксиды металла, неизвестные ранее.
Когда дело дошло до тысячеградусных температур и давления, превышающего атмосферное в 670 000 раз, получилось соединение Fe 25 O 32 . Описаны условия срединных слоев геосферы.
Реакция преобразования оксидов идет с глобальным выбросом кислорода. Следует предполагать, что тоже происходит внутри планеты. Железо – типичный для мантии элемент.
Соединение элемента с кислородом тоже типично. Нетипична версия, что атмосферный газ – просочившийся за миллионы лет из-под земли и накопившийся у ее поверхности.
Грубо говоря, ученые поставили под сомнение главенствующую роль растений в образовании кислорода. Зелень может давать лишь часть газа. В этом случае бояться нужно не только уничтожения флоры, но и остывания ядра планеты.
Снижение температуры мантии может блокировать процесс образования кислорода. Массовая доля его в атмосфере тоже пойдет на спад, а вместе с тем и жизнь на планете.
Вопрос, как добывать кислород из мании, не стоит. Пробурить землю на глубину свыше 7 000-8 000 километров невозможно. Остается ждать пока герой статьи просочиться к поверхности сам и извлекать его из атмосферы.
Применение кислорода
Активно применять кислород в промышленности начали с изобретением турбодетандеров. Они появились в середине прошлого века. Устройства сжижают воздух и разделяют его. Собственно, это установки для добычи кислорода.
Какими элементами образован круг «общения» героя статьи? Во-первых, это металлы. Речь не о прямом взаимодействии, а о расплавлении элементов. Кислород добавляют в горелки для максимально эффективного сжигания топлива.
В итоге, металлы быстрее размягчаются, смешиваясь в сплавы. Без кислорода, к примеру, не обходится конвекторный способ производства стали. Обычный воздух в качестве розжига малоэффективен. Не обходится без сжиженного газа в баллонах и резка металлов.
Кислород как химический элемент был открыт и фермерами. В сжиженном виде вещество попадает в коктейли для животных. Они активно прибавляют в весе. Связь между кислородом и массой животных прослеживается в Каменноугольном периоде развития Земли.
Эра отмечена жарким климатом, обилием растений, а следовательно, и 8-го газа. В итоге, по планете ползали сороконожки под 3 метра длиной. Найдены окаменелости насекомых. Схема работает и в современности. Дай животному постоянную добавку к привычной порции кислорода, получишь наращивание биологической массы.
Медики запасаются кислородом в баллонах для купирования, то есть остановки приступов астмы. Газ нужен и при устранении гипоксии. Так именуют кислородное голодание. Помогает 8-ой элемент, так же, при недугах желудочно-кишечного тракта.
В этом случае лекарством становятся кислородные коктейли. В остальных случаях вещество подают пациентам в прорезиненных подушках, или через специальные трубки и маски.
В химической промышленности герой статьи – окислитель. О реакциях, в кторых может участвовать 8-ой элемент, уже говорилось. Характеристика кислорода положительно рассмотрена, к примеру, в ракетостроении.
Героя статьи выбрали окислителем топлива кораблей. Самой мощной окислительной смесью признано соединение обеих модификаций 8-го элемента. То есть, ракетное топливо взаимодействует с обычным кислородом и озоном.
Цена кислорода
Героя статьи продают в баллонах. Они обеспечивают связь элемента. С кислородом можно приобрести баллоны в 5, 10, 20, 40, 50 литров. В общем, стандартен шаг между объемами тар в 5-10 литров. Разброс цен на 40-литровый вариант, к примеру, от 3 000 до 8 500 рублей.
Рядом с высокими ценниками, как правило, стоит указание соблюденного ГОСТа. Его номер – «949-73». В объявлениях с бюджетной стоимостью баллонов ГОСТ прописан редко, что настораживает.
Транспортировка кислорода в баллонах
Если же говорить в философском плане, кислород бесценен. Элемент является основой жизни. По организму человека кислород транспортирует железо. Связка элементов зовется гемоглобином. Его нехватка – анемия.
Заболевание имеет серьезные последствия. Первое из них – снижение иммунитета. Интересно, что у некоторых животных кислород крови переносится не железом. У мечехвостов, к примеру, доставку 8-го элемента к органам осуществляет медь.
Кислоро́д - элемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов , 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).
2HgO (t) → 2Hg + O 2
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 Петра 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 окислы, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.
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:
2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
Также используют реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н 2 О 2:
2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2
Катализатором является диоксид марганца (MnO 2) или кусочек сырых овощей (в них содержатся ферменты, ускоряющие разложение пероксида водорода).
Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO 3:
2KClO 3 → 2KCl + 3O 2
К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей.
Физические свойства
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/100г при 0 °C, 2,09 мл/100г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O 2 в 1 объёме Ag при 961 °C). 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 (темп. кипения −182,98 °C) - это бледно-голубая жидкость.
Твёрдый кислород (темп. плавления −218,79 °C) - синие кристаллы.
Вездесущий, всемогущий и невидимый — это все о нем. Еще он не имеет ни вкуса, ни запаха. Создается впечатление, что разговор идет о том, чего вообще не существует. Однако это вещество есть, мало того: без него человечество попросту задохнулось бы. Поэтому, наверное, Лавуазье с ходу назвал этот газ «жизненным газом».
Кислород всемогущий
По мнению людей религиозных, вездесущим, всемогущим и в то же время невидимым может быть только бог. В действительности же все эти три эпитета вполне можно отнести к химическому элементу с атомным номером 8 - кислороду. Если бы растения в процессе фотосинтеза не превращали воду и углекислый газ в органические соединения, и этот процесс не сопровождался высвобождением связанного кислорода, то, исчерпав довольно быстро запасы атмосферного кислорода, весь животный мир, включая человечество, вскоре задохнулся бы.
Кислород — вездесущ: из него в значительной степени состоят не только воздух, вода и земля, но и мы с вами, наши еда, питье, одежда; в подавляющем большинстве окружающих нас веществ есть кислород. Могущество кислорода проявляется уже в том, что мы им дышим, а ведь дыхание это синоним жизни. И еще кислород можно считать всемогущим потому, что могучая стихия огня, как правило, сильно зависит от нашего кандидата в вездесущие и всемогущие.
Что касается третьего эпитета — «невидимый», то здесь, вероятно, нет нужды в доказательствах. При обычных условиях элементарный кислород не только бесцветен и потому невидим, но и не воспринимаем, не ощутим никакими органами чувств. Правда, недостаток, а тем более отсутствие кислорода мы ощутили бы моментально...
Открытие: XVIII век
То, что кислород невидим, безвкусен, лишен запаха, газообразен при обычных условиях, надолго задержало его открытие. Многие ученые прошлого догадывались, что существует вещество со свойствами, которые, как мы теперь знаем, присущи кислороду.
Открытие кислорода (англ. Oxygen, франц. Oxygene, нем. Sauerstoff) ознаменовало начало современного периода развития химии. С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух, однако многие века процесс горения оставался непонятным. Лишь в XVII в. Майов и Бойль независимо друг от друга высказали мысль, что в воздухе содержится некоторая субстанция, которая поддерживает горение.
Кислород открыли почти одновременно и независимо друг от друга два выдающихся химика второй половины XVIII в.— швед Карл Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Шееле получил кислород раньше, но его трактат «О воздухе и огне», содержавший информацию о кислороде, был опубликован позже, чем сообщение об открытии Пристли.
Джозеф
Пристли
«1 августа 1774 года я попытался извлечь воздух из ртутной окалины и нашел, что воздух легко может быть изгнан из нее посредством линзы. Этот воздух не поглощался водой. Каково же было мое изумление, когда я обнаружил, что свеча горит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетно пытался я найти объяснение этому явлению».
И все-таки главная фигура в истории открытия кислорода — не Шееле и не Пристли. Они открыли новый газ — и только. Позже Фридрих Энгельс напишет об этом: «Оба они так и не узнали, что оказалось у них в руках. Элемент, которому суждено было революционизировать химию, пропадал в их руках бесследно... Собственно открывшим кислород поэтому остается Лавуазье, а не те двое, которые только описали кислород, даже не догадываясь, что они описывают».
Подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения и образования окислов привело Лавуазье к неправильному выводу о том, что этот газ представляет собой кислотообразующее начало. В1779 г. Лавуазье ввел для кислорода название Oxygenium (от греч. «окис» - «кислый» и «геннао» - рождаю») — «рождающий кислоты».
«Окислительный» элемент
Кислород — бесцветный (в толстом слое — голубой) газ без вкуса и запаха. Он немного тяжелее воздуха и малорастворим в воде. При охлаждении до -183°С кислород превращается в подвижную жидкость голубого цвета, а при -219°С — замерзает.
Как и положено элементу, занимающему место в правом верхнем углу таблицы Менделеева, кислород — один из самых активных элементов-неметаллов и обладает ярко выраженными окислительными свойствами. Если можно так выразиться, окислительнее кислорода — только один элемент, фтор. Именно поэтому баки с жидким кислородом — необходимая принадлежность большинства жидкостных ракетных двигателей. Получено соединение кислорода даже с таким химически пассивным газом, как ксенон.
Для развития активной реакции кислорода с большинством простых и сложных веществ нужно нагревание — чтобы преодолеть потенциальный барьер, препятствующий химическому процессу. С помощью катализаторов, снижающих энергию активации, процессы могут идти и без подогрева, в частности, соединение кислорода с водородом.
Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива, включая порох, для горения которых не нужен кислород воздуха: в процессе горения таких веществ кислород выделяется из них самих.
Процессы медленного окисления различных веществ при обычной температуре имеют для жизни не меньшее значение, чем горение — для энергетики.
Медленное окисление веществ пищи в нашем организме — «энергетическая база» жизни. Заметим попутно, что наш организм не слишком экономно использует вдыхаемый кислород: в выдыхаемом воздухе кислорода примерно 16%. Тепло преющего сена — результат медленного окисления органических веществ растительного происхождения. Медленное окисление навоза и перегноя согревает парники.
Применение: «море энергии»
Кислород применяется в лечебной практике , причем не только при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание. Подкожное введение кислорода оказалось эффективным средством лечения таких тяжелых заболеваний, как гангрена, тромбофлебит, слоновость, трофические язвы.
Не менее важен он и для промышленности . Обогащение воздуха кислородом делает эффективнее, быстрее, экономичнее многие технологические процессы, в основе которых — окисление. А на таких процессах пока держится почти вся тепловая энергетика. Превращение чугуна в сталь тоже невозможно без кислорода. Именно кислород «изымает» из чугуна избыток углерода. Одновременно улучшается и качество стали. Нужен кислород и в цветной металлургии . Жидкий кислород служит окислителем ракетного топлива .
При сжигании водорода в токе кислорода образуется весьма обыкновенное вещество — Н 2 O. Конечно, ради получения этого вещества не следовало бы заниматься сжиганием водорода (который, кстати, часто именно из воды получают). Цель этого процесса иная, она будет ясна, если ту же реакцию записать полностью, учитывая не только химические продукты, но и энергию, выделяющуюся в ходе реакции: Н 2 +0,5O 2 =H 2 O+68317 калорий.
Почти семьдесят больших калорий на грамм-молекулу! Так можно получить не только, «море воды», но и «море энергии». Для этого и получают воду в реактивных двигателях, работающих на водороде и кислороде.
Та же реакция используется для сварки и резки металлов . Правда, в этой области водород можно заменить ацетиленом. Кстати, ацетилен все в больших масштабах получают именно с помощью кислорода, в процессах термоокислительного крекинга: 6СН 4 + 4O 2 = С 2 Н 2 + 8Н 2 + ЗСО + СO 2 + ЗН 2 O.
Это только один пример использования кислорода в химической промышленности. Кислород нужен для производства многих веществ (достаточно вспомнить об азотной кислоте), для газификации углей, нефти, мазута...
Любое пористое горючее вещество, например, опилки, будучи пропитанными голубоватой холодной жидкостью — жидким кислородом, становится взрывчатым веществом. Такие вещества называются оксиликвитами и в случае необходимости могут заменить динамит при разработке рудных месторождений.
Ежегодное мировое производство (и потребление) кислорода измеряется миллионами тонн. Не считая кислорода, которым мы дышим.
Производство кислорода
Попытки создать более или менее мощную кислородную промышленность предпринимались еще в прошлом веке во многих странах. Но от идеи до технического воплощения часто лежит «дистанция огромного размера»...
Особенно быстрое развитие кислородной промышленности началось после изобретения академиком П.Л.Капицей турбодетандера и создания мощных воздухоразделительных установок.
Проще всего получить кислород из воздуха, поскольку воздух — не соединение, и разделить воздух не так уж трудно. Температуры кипения азота и кислорода отличаются (при атмосферном давлении) на 12,8°С. Следовательно, жидкий воздух можно разделить на компоненты в ректификационных колоннах так же, как делят, например, нефть. Но чтобы превратить воздух в жидкость, его нужно охладить до минус 196°С. Можно сказать, что проблема получения кислорода — это проблема получения холода.
Чтобы получать холод с помощью обыкновенного воздуха, последний нужно сжать, а затем дать ему расшириться и при этом заставить его производить механическую работу. Тогда в соответствии с законами физики воздух обязан охлаждаться. Машины, в которых это происходит, называют детандерами .
Чтобы получить жидкий воздух с помощью поршневых детандеров, нужны были давления порядка 200 атмосфер. КПД установки был немногим выше, чем у паровой машины. Установка получалась сложной, громоздкой, дорогой. В конце тридцатых годов советский физик академик П.Л.Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Главная особенность турбодетандера Капицы в том, что воздух в ней расширяется не только в сопловом аппарате, но и на лопатках рабочего колеса. При этом газ движется от периферии колеса к центру, работая против центробежных сил.
Турбодетандер «делает» холод с помощью воздуха, сжатого всего лишь до нескольких атмосфер. Энергия, которую отдает расширяющийся воздух, не пропадает напрасно, она используется для вращения ротора генератора электрического тока.
Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода.
