Кислород

кислород (Oxigenium), (рус. кислород, англ. oxygen, нем. Sauerstoff) химическое обозначение – O – химический элемент VI группы периодической системы.
Атомный номер кислорода – 8; атомная масса – 15,9994. Кислород образует соединения со всеми элементами, кроме гелия, аргона и неона. При нормальном условиях кислород – газ, состоящий из двухатомных молекул. При 90,18 К кислород конденсируется в бледно-голубую жидкость, при 54,36 К затвердевает.
Плотность жидкого кислорода – 1,142; температура плавления составляет -218 о С, температура кипения составляет -183 ° С.
С некоторыми металлами кислород образует пероксиды Ме 2 О 2, надпероксиды МЭО 2, озониды МЭО 3, с горючими газами – взрывчатые смеси.
Элемент кислород занимает третье место после водорода и гелия по распространенности во Вселенной. Он – самый распространенный химический элемент на Земле – 47% массы земной коры, 85,7% массы гидросферы, 23,15% массы атмосферы, 79% и 65% массы растений и животных соответственно. По объему кислород занимает 92% объема земной коры. Известно около 1400 минералов, содержащих кислород, главные из них – кварц, полевые шпаты, слюда, глинистые минералы, карбонаты. Более 99,9% кислорода Земли находится в связанном состоянии. Кислород – главный фактор, регулирующий распределение элементов в планетарном масштабе. Содержание его с глубиной закономерно уменьшается. Количество кислорода в магматических породах изменяется от 49% в кислых ефузивив и гранитах до 38-42% в дунит и кимберлитах. Содержание кислорода в метаморфических породах соответствует глубине их формирования: от 44% в эклогитах до 48% в кристаллических сланцах. Максимум кислорода – в осадочных породах – 49-51%. Исключительную роль в геохимических процессах играет свободный кислород – молекулярный кислород, значение которого определяется его высокой химической активностью, большой миграционной способностью и постоянным, относительно высоким содержанием в биосфере, где он не только расходуется, но и воспроизводится. Считают, что свободный кислород появился в протерозое результате фотосинтеза.
В гипергенных процессах кислород – один из основных агентов, он окисляет сероводород и низшие оксиды. Кислород определяет поведение многих элементов: повышает миграционную способность халькофиламы, окисляя сульфиды к подвижным сульфатов, снижает подвижность железа и марганца, осаджучы их в виде гидроксидов и обусловливая тем самым их разделения. В водах океана содержание кислорода меняется: летом океан отдает кислород в атмосферу, зимой поглощает его. Полярные регионы обогащенные кислородом. Важное геохимическое значение имеют соединения кислорода, в частности вода.
Основной промышленный метод получения кислорода – разделения воздуха методом глубокого охлаждения. Как побочный продукт кислород получают при электролизе воды. Разработанный способ получения кислорода методом выборочной диффузии газов через молекулярные сита. Газ кислород применяется в металлургии для интенсификации доменных и сталеплавильных процессов, при выплавке цветных металлов в шахтных печах, бесемеруванни нов и др. (Свыше 60% потребляемого кислорода), как окислитель во многих химических производствах; в технике – при сварке и резке металлов, при подземной газификации угля и т.п.; озон – при стерилизации питьевой воды и дезинфекции помещений. Жидкий кислород используется как окислитель для некоторых разновидностей ракетных топлив.
Открыли кислород в 1771 шведский химик К. В. Шееле и независимо от него в 1774 – английский ученый Джозеф Пристли. Французский химик А. А. Лавуазье дал элементу название и до 1777 года создал кислородную теорию дыхания, горения и окисления. В свободном виде известен, как молекулярный кислород (O 2) и озон (O 3).
VIII в. – Китайский ученый Мао – установил наличие в воздухе газа, который поддерживает дыхания и горения. Однако европейцы кислород открыли почти через 1000 лет. Выдающийся шведский химик К. В. Шееле в 1771 г. установил, что воздух состоит из кислорода и азота.
1774 г. – Дж. Пристли добыл кислород расписанию меркурий (II) оксида. Все же – главные лица в истории открытия кислорода не К. В. Шееле и не Дж. Пристли. Они открыли новый газ – кислород, несмотря на это и до конца своих лет оставаясь ревностными защитниками теории флогистона, долгое время тормозила развитие науки. Особое значение в истории открытия кислорода имеют работы А. Лавуазье. Он (1775 г.) установил, что кислород – составная часть воздуха, создал кислородную теорию горения (за 200 лет она не только не была опровергнута, но и получила множество подтверждений своей верности), пришедшая на смену теории флогистона. В 1898 г. английский ученый Томпсон лорд Кельвин утверждал, что человечеству грозит удушье, поскольку в воздух выделяется огромное количество углекислого газа не только от дыхания, но и от промышленных предприятий. Это утверждение опроверг К. А. Тимирязева. Он доказал, что человечеству не дадут погибнуть зеленые растения.
Кислород, самый распространенный на Земле элемент, содержание его составляет 47% по массе (в основном в форме оксидов), в воздухе (тропосфере) кислорода (O 2) – 20,93% по объему, или 23% по массе. В состав воды входит 88,8 м.% кислорода, в морской воде – 85,7 м.%. Он входит в состав большинства горных пород, почв, а также клеток всех растительных и животных организмов. Кислород в целом составляет 30-85% массы животных и растительных тканей. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и т.д. Свободный кислород играет большую роль в биохимических и физиологических процессах, в частности в дыхании. При недостаточен снабжении организма животных и человека кислородом развивается гипоксия. Зеленые растения и некоторые бактерии являются источником свободного кислорода на Земле.
Кислород – бесцветный газ без запаха и вкуса. При температуре -183 ° С он сжижается в жидкость голубоватого цвета, которая при -218,7 ° С замерзает в синюю кристаллическую массу. Растворимость кислорода в воде невелика и при обычной температуре составляет всего 3,1 см в 100 г воды. В продажу кислород поступает в стальных баллонах под давлением около 150 атм.
Кислород принадлежит к главной подгруппы шестой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 8.
Молекула кислорода состоит из двух атомов. Химическая связь ковалентная: · · · ·. Упрощенная структурная формула: O = O. Основное состояние молекулы кислорода триплетных, т.е. молекула кислорода – дирадикал. Два электрона образуют ковалентную связь, два других – антизвьязану пару. Этим объясняется то, что молекулярный кислород парамагнетик.
Имея во внешней электронной оболочке шесть электронов, атомы кислорода энергично присоединяют от атомов других элементов два электрона, которых им недостает для завершения валентной оболочки и превращаются в негативные двухвалентные ионы:

O + 2e = O 2 -

При этом кислород проявляет свои окислительные свойства. Среди всех химических элементов он является одним из сильнейших окислителей и уступает в этом только перед фтором. Кислород непосредственно соединяется со всеми элементами, за исключением инертных элементов, галогенов и благородных металлов. Химическая активность кислорода возрастает с повышением температуры.
Кислород хорошо растворим в органических растворителях, поглощается тонкими порошками металлов, угля. Образует соединения со всеми элементами, кроме гелия, аргона и неона. На основе типов и свойств кислородных соединений построена классификация неорганических соединений. С металлами и неметаллами кислород образует оксиды соединений с щелочными металлами, кроме лития, – пероксиды. Взаимодействие веществ с кислородом значительно ускоряется при нагревательной действия электрических разрядов, под давлением, при наличии катализаторов, особенно воды. В смеси с горючими газами и парами, с тонкими порошками многих металлов и органических веществ кислород-газ образует взрывчатые смеси.
В лабораториях кислород обычно получают термическим разложением некоторых пероксидов, солей, некоторых кислородных кислот (например, KMnO 4, бертолетовой соли – KClO 3):

2KClO 3 = 2KCl + 3O 2

При 368 ° C эта соль плавится, а около 400 ° C начинает разлагаться. В присутствии двокису марганца MnO 2 (катализатор) температура разложения снижается и реакция проходит легче.
В промышленности кислород добывают фракционированной перегонкой жидкого воздуха и электролизом воды. С этой целью воздух сначала скраплюють сильным охлаждением под большим давлением, а затем медленно испаряют из него азот. Очень чистый кислород добывают электролизом водного раствора гидроксида натрия NaOH с применением никелевых электродов. При этом на катоде восстанавливаются катионы водорода, а на аноде окисляются гидроксильные анионы с выделением кислорода.
Электродные реакции можно обозначить такими уравнениями:

Катод: 4H + 4e = 2Н 2
Анод: 4ОН - - 4e = 2H 2 O + O 2

Электролитическим способом кислород получают и для промышленных нужд, в частности там, где есть дешевая электрическая энергия.
Кислород воздух имеет чрезвычайно важное значение для процессов горения. Сжигая различные виды топлива, получают тепло, которое используют для удовлетворения самых разнообразных потребностей, в том числе для превращения его в механическую и электрическую энергию.
Чистый кислород с ацетиленом широко используют для так называемого автогенной сварки стальных труб и других железных конструкций и их резки. Для этого служит специальный горелка, состоящий из двух металлических трубок, вставленных друг в друга. В пространство между трубками пропускают ацетилен и зажигают, а потом по внутренней трубке пропускают кислород. Оба газа, подаются из баллонов под давлением. Температура в кислородно-ацетиленовой пламени – до 2000 ° C, при такой температуре плавится большинство металлов.
В медицине чистый кислород применяют для дыхания при отравлениях угарным газом и некоторых заболеваниях легких. Один вдох чистого кислорода заменяет пять вдохов воздуха. Чистым кислородом пользуются для дыхания также летчики при высоких полетах, водолазы, на подводных лодках и т.д.
Кислород широко применяется для интенсификации химических и металлургических процессов. Чистый кислород используют, в частности при производстве серной и азотной кислот, синтетического метилового спирта CH 3 OH и других химических продуктов. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха значительно повышается температура печи, ускоряется процесс выплавки чугуна, увеличивается производительность домны и экономится кокс.
Сжиженный кислород применяют как окислитель в реактивных двигателях, а также для изготовления взрывчатых смесей – так называемых оксиликвитив. Это смеси древесных опилок, сухого торфа, порошка угля и других горючих веществ, спрессованных в специальных патронах и пропитанных перед употреблением жидким кислородом. При воспалении такой смеси электрической искрой она взрывается с большой силой. Оксиликвиты применяют при разработке рудных залежей взрывным способом, при прокладке тоннелей в горах, рытье каналов и т.д.