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.
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.
Четыре элемента-«халькогена» (т.е. «рождающих медь») возглавляют главную подгруппу VI группы (по новой классификации - 16-ю группу) периодической системы. Кроме серы, теллура и селена к ним также относится кислород. Давайте подробно разберем свойства этого наиболее распространенного на Земле элемента, а также применение и получение кислорода.
Распространенность элемента
В связанном виде кислород входит в химический состав воды - его процентное соотношение составляет порядка 89%, а также в состав клеток всех живых существ - растений и животных.
В воздухе кислород находится в свободном состоянии в виде О2, занимая пятую часть его состава, и в виде озона - О3.
Кислород О2 представляет собой газ, который не обладает цветом, вкусом и запахом. В воде растворяется слабо. Температура кипения - 183 градуса ниже нуля по Цельсию. В жидком виде кислород имеет голубой цвет, а в твердом виде образует синие кристаллы. Температура плавления кислородных кристаллов составляет 218,7 градуса ниже нуля по Цельсию.
Химические свойства
При нагревании этот элемент реагирует со многими простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, образуя при этом так называемые оксиды - соединения элементов с кислородом. в которую элементы вступают с кислородом, называется окислением.
Например,
4Na + О2= 2Na2O
2. Через разложение перекиси водорода при нагревании ее в присутствии оксида марганца, выступающего в роли катализатора.
3. Через разложение перманганата калия.
Получение кислорода в промышленности проводится такими способами:
1. Для технических целей кислород получают из воздуха, в котором обычное его содержание составляет порядка 20%, т.е. пятую часть. Для этого воздух сначала сжигают, получая смесь с содержанием жидкого кислорода около 54%, жидкого азота - 44% и жидкого аргона - 2%. Затем эти газы разделяют с помощью процесса перегонки, используя сравнительно небольшой интервал между температурами кипения жидкого кислорода и жидкого азота - минус 183 и минус 198,5 градуса соответственно. Получается, что азот испаряется раньше, чем кислород.
Современная аппаратура обеспечивает получение кислорода любой степени чистоты. Азот, который получается при разделении жидкого воздуха, используется в качестве сырья при синтезе его производных.
2. также дает кислород очень чистой степени. Этот способ получил распространение в странах с богатыми ресурсами и дешевой электроэнергией.
Применение кислорода
Кислород является основным по значению элементом в жизнедеятельности всей нашей планеты. Этот газ, который содержится в атмосфере, расходуется в процессе животными и людьми.
Получение кислорода очень важно для таких сфер деятельности человека, как медицина, сварка и резка металлов, взрывные работы, авиация (для дыхания людей и для работы двигателей), металлургия.
В процессе хозяйственной деятельности человека кислород расходуется в больших количествах - например, при сжигании различных видов топлива: природного газа, метана, угля, древесины. Во всех этих процессах образуется При этом природа предусмотрела процесс естественного связывания данного соединения с помощью фотосинтеза, который проходит в зеленых растениях под действием солнечного света. В результате этого процесса образуется глюкоза, которую растение потом расходует для строительства своих тканей.
Кислород - это газ без вкуса, запаха и цвета. По содержанию в атмосфере занимает второе место после азота. Кислород является сильным окислителем и химически активным неметаллом. Этот газ был открыт одновременно несколькими учеными в XVIII столетии. Первым добыть кислород удалось шведскому химику Шееле в 1772 году. Исследованием кислорода занимался французский химик Лавуазье, давший ему название «oxygène». Выявить кислород помогает тлеющая лучина: при контакте с газом она ярко вспыхивает.
Значение кислорода
Этот газ участвует в процессах горения. Кислород вырабатывают зеленые растения, в листьях которых осуществляется процесс фотосинтеза, который обогащает атмосферу этим жизненно важным газом.
Как получить кислород? Из воздуха газ добывают промышленным способом, воздух при этом очищают и сжижают. Наша планета имеет огромные запасы воды, составляющей которой является кислород. Это означает, что получать газ можно путем разложения воды. Сделать это можно в домашних условиях.
Как добыть кислород из воды
Для проведения эксперимента понадобятся такие инструменты и материалы:
Источник питания;
Пластмассовые стаканы (2 штуки);
Электроды (2 штуки);
Гальваническая ванна.
Рассмотрим сам процесс. В гальваническую ванну больше чем на половину объема наливаем воду, затем добавляем 2 мл едкого натра или разбавленной серной кислоты - это усилит электропроводность воды.
Делаем отверстия в дне пластмассовых стаканов, протягиваем через них электроды - угольные пластины. Необходимо заизолировать воздушную прослойку между стаканом и пластиной. Помещаем стаканы в ванну таким образом, чтобы электроды были в воде, а стаканы располагались вверх дном. Между поверхностью воды и дном стакана должно быть предельно мало воздуха.
Припаиваем металлический провод к каждому электроду, подключаем к источнику питания. Подключенный к отрицательному полюсу электрод называется катодом, подключенный к положительному полюсу - анодом.
Через воду проходит электрический ток - осуществляется электролиз воды.
Электролиз воды
Происходит химическая реакция, в ходе которой образуется два газа. Внутри стакана с катодом собирается водород, в стакане с анодом собирается кислород. Образование газов в стаканах с электродами определяем по пузырькам воздуха, поднимающимся из воды. Через трубку выводим кислород из стакана в другую емкость.
Правила безопасности
Проведение химического опыта по получению из воды кислорода возможно только при соблюдении правил техники безопасности. Газы, полученные в процессе электролиза воды, нельзя смешивать. Полученный водород взрывоопасен, поэтому он не не должен соприкасаться с воздухом. О том, какие опыты с газами безопасно проводить дома, можно узнать .
Как добыть кислород лабораторным способом
Способ первый : насыпаем перманганат калия в пробирку, ставим пробирку на огонь. Марганцовка нагревается, выделяется кислород. Улавливаем газ пневматической ванной. Итог: из 10 г перманганата калия выделяется 1 л кислорода.
Пневматическая ванна Стивена Хейлза
Способ второй : в пробирку насыпаем 5 г селитры, закрываем пробирку огнеупорной пробкой со стеклянной трубкой. Закрепляем пробирку на столе с помощью штатива, ставим под ней ванночку с песком, чтобы избежать чрезмерного нагревания. Включаем газовую горелку и направляем огонь на пробирку с селитрой. Вещество расплавляется, происходит выделение кислорода. Собираем газ через стеклянную трубку в надетый на ее воздушный шарик.
Способ третий : в пробирку насыпаем хлорат калия и ставим пробирку на огонь газовой горелки, предварительно закрыв ее огнеупорной пробкой со стеклянной трубкой. Бертолетова соль в процессе нагревания выделяет кислород. Собираем газ через трубку, надев на нее воздушный шарик.
Способ четвертый : стеклянную пробирку закрепляем на столе с помощью штатива, наливаем в пробирку пероксид водорода. При контакте с воздухом неустойчивое соединение разлагается на кислород и воду. Чтобы ускорить реакцию выделения кислорода, добавляем в пробирку активированный уголь. Пробирку закрываем огнеупорной пробкой со стеклянной трубкой, надеваем на трубку воздушный шарик и собираем кислород.
При и резке металла осуществляется высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа или паров жидкости в смеси с технически чистым кислородом.
Кислород является самым распространенным элементом на земле , встречающимся в виде химических соединений с различными веществами: в земле - до 50% по массе, в соединении с водородом в воде - около 86% по массе и в воздухе - до 21% по объему и 23% по массе.
Кислород при нормальных условиях (температура 20°С, давление 0,1 МПа) - это бесцветный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С масса 1 м 3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении - 1,33 кг.
Кислород имеет высокую химическую активность , образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества теплоты, т. е. носят экзотермический характер.
При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами.
Всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры.
Отмеченные особенности кислорода следует всегда иметь в виду при использовании его в процессах газопламенной обработки.
Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем их объемном содержании: азота - 78,08%, кислорода - 20,95%, аргона-0,94%, остальное - углекислый газ, закись азота и др. Кислород получают разделением воздуха на кислород и методом глубокого охлаждения (сжижения), попутно идет отделение аргона, применение которого при непрерывно возрастает. Азот применяют как защитный газ при сварке меди.
Кислород можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт при производстве чистого водорода.
В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6-20 МПа и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения, разница в температурах сжижения кислорода и азота составляет 13°С, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе.
Жидкий чистый кислород накапливается в воздухоразделительном аппарате, испаряется и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа.
Технический кислород транспортируют также по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде - в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.
Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм 3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм 3 газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на транспортировку и хранение баллонов.
Для сварки и резки по -78 технический кислород выпускается трех сортов:
- 1-й - чистотой не менее 99,7%
- 2-й - не менее 99,5%
- 3-й - не менее 99,2% по объему
Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше содержится в нем газовых примесей, тем выше скорость реза, чище и меньше расход кислорода.
