Открытие элемента кислорода
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.Джозеф ПристлиТо, 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.Изобретатель подводной лодки К. Дреббель еще в начале XVII в. выделил кислород, выяснил роль этого газа для дыхания и использовал его в своей подводной лодке. Но работы Дреббеля практически не повлияли на развитие химии. Его изобретение носило военный характер, и все, что было так или иначе связано с ним, постарались своевременно засекретить.Кислород открыли почти одновременно 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.И все-таки главная фигура в истории открытия кислородане Шееле и не Пристли. Они открыли новый газ и только. Открыли кислород и до конца дней своих остались ревностными защитниками теории флогистона! Теории некогда полезной, но к концу XVIII в. ставшей уже «кандалами на ногах науки».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».Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (тогда еще очень молодой) узнал о кислороде от самого Пристли. Спустя два месяца после открытия «дефлогистонированного воздуха» Пристли приехал в Париж и подробно рассказал о том, как было сделано это открытие и из каких веществ (ртутная и свинцовая окалины) новый «воздух» выделяется.До встречи с Пристли Лавуазье не знал, что в горении и дыхании принимает участие только часть воздуха. Теперь он по-новому поставил начатые двумя годами раньше исследования горения. Для них характерен скрупулезный количественный подход: все, что можно, взвешивалось или как-либо иначе измерялось.Лавуазье наблюдал образование красных чешуек «ртутной окалины» и уменьшение объема воздуха при нагревании ртути в запаянной реторте. В другой реторте, применив высокотемпературный нагрев, он разложил полученные в предыдущем опыте 2,7 С «ртутной окалины» и получил 2,5 С ртути и 8 кубических дюймов того самого газа, о котором рассказывал Пристли. В первом опыте, в котором часть ртути была превращена в окалину, было «потеряно» как раз 8 кубических дюймов воздуха, а остаток его стал «азотом» – не жизненным, не поддерживающим ни дыхания, ни горения. Газ, выделенный при разложении окалины, проявлял противоположные свойства, и потому Лавуазье вначале назвал его «жизненным газом». Лавуазье выяснил сущность горения. И надобность в флогистоне – «огненной материи», якобы выделяющейся при сгорании любых горючих, отпала.Кислородная теория горения пришла на смену теории флогистона. За два века, прошедших со времени открытия, теория Лавуазье не только не была опровергнута, но еще более укрепилась.Это не значит, конечно, что об элементе №8 современной науке известно абсолютно все.
Понятие круговорота
Среди атмосферы, литосферы, земных органических веществ и гидросферы протекает взаимообмен всевозможными химическими веществами. Взаимообмен происходит беспрестанно, перетекая из стадии в стадию. На протяжении всей истории существования нашей планеты, такое взаимодействие длится безостановочно и насчитывает уже 4,5 миллиарда лет.
Лучше всего понятия круговорота можно понять, обратившись к такой науке как геохимия. Эта наука такое взаимодействие объясняет четырьмя важнейшими правилами, которые проверенны и подтверждены не единожды проведенными опытами:
- беспрерывное распределение в земных оболочках всех химических элементов;
- беспрерывное перемещение во времени всех элементов;
- многообразное существование типов и форм;
- доминирование компонентов в рассредоточенном состоянии, над компонентами в объединенном состоянии.
Такие циклы тесно связаны с природой и деятельностью людей. Органические элементы взаимодействуют с неорганическими и образуют беспрерывный биохимический цикл называемый круговоротом.
Схема круговорота кислорода в природе
Нахождение в природе
Кислород — самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов ) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры . Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,82 % (по массе). Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород.
В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе (около 10 15 тонн). Однако до появления первых фотосинтезирующих архей 3,5 млрд лет назад в атмосфере его практически не было. Свободный кислород в больших количествах начал появляться в палеопротерозое (3-2,3 млрд лет назад) в результате глобального изменения состава атмосферы ( кислородной катастрофы ). Первый миллиард лет практически весь кислород поглощался растворённым в океанах железом и формировал залежи джеспилита . 3—2,7 млрд лет назад он начал выделяться в атмосферу и 1,7 млрд лет назад достиг 10 % от нынешнего уровня.
Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, сделав их доминирующими.
С начала кембрия 540 млн лет назад содержание кислорода колебалось от 15 % до 30 % по объёму. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время.
Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана. При этом, около 60 % кислорода, производимого лесами и зелёными растениями, расходуется на процессы гниения и разложения в самих лесах и растительных зонах.Деятельность человека очень мало влияет на количество свободного кислорода в атмосфере. При нынешних темпах фотосинтеза понадобится около 2000 лет, чтобы восстановить весь кислород в атмосфере.
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 %.
Кислород в воздухе
Наземные животные поглощают
кислород из воздуха и выбрасывают углекислый газ в воздух. В среднем воздух
содержит 21% (по объему) кислорода — значительно больше, чем в воде, где он не
превышает 1% (по объему). Эти цифры указывают на то, что различное содержание
кислорода в этих двух средах оказывает воздействие на окружающую среду.
Движение воздушных масс приводит к постоянному перемешиванию воздуха, и
содержание кислорода и углекислого газа, как правило, сбалансировано. Снижение
концентрации кислорода на больших высотах происходит параллельно со снижением
давления воздуха. На больших высотах содержание кислорода в воздухе служит
ограничением для многих видов животных. Люди, поднимающиеся в горы, должны
поддерживать нужное количество кислорода с помощью специального оборудования —
кислородных аппаратов.
На малых и средних высотах
также может наблюдаться кратковременное изменение соотношения кислорода и
углекислого газа в воздухе. Например, в лесах, которые не потеряли свои листья
безветренными ночами, содержание углекислого газа может увеличиться даже в
десять раз, что связано с процессом дыхания. Однако это не влияет на зоны
распространения животных, так как фотосинтез в течение дня приводит все в
порядок. Доказано, что кислород не играет решающей роли в распределении видов
животных, живущих на поверхности суши. Но мы должны сомневаться, что так будет
всегда. Данные о загрязнении воздуха в промышленных центрах привели к
необходимости проведения интенсивных исследований экологических газов. Стало
известно, что содержание углекислого газа, которое обычно составляет всего
0,03% (по объему), может увеличиться в десять раз в безветренную погоду по
сравнению с крупными городами. Этот углекислый газ является одним из многих
конечных продуктов сжигания угля и нефти. Количество углекислого газа в
помещении распределяется следующим образом: 36% встречается в ассимиляционных
районах и пространствах, где обитают животные, 14% — в океанах и около 50% — в
атмосфере, где количество двуокиси углерода является наиболее постоянным.
В наш век содержание
углекислого газа в атмосфере увеличилось на 15%, и если оно будет продолжать
расти такими же темпами, то можно ожидать, что к 2000 году количество
углекислого газа в атмосфере удвоится. Можно представить, что эти процессы
означают с точки зрения поглощения кислорода. Например, при сгорании 100 литров
бензина в течение года расходуется достаточно кислорода, чтобы дышать на одного
человека. По последним данным, один гектар соснового леса высвобождает около 30
тонн кислорода в год — до девятнадцати человек должны дышать каждый год. Один
гектар лиственного леса обеспечивает около 16 и один гектар
сельскохозяйственных угодий 3-10 тонн кислорода в год. К 1980 году в
Федеративной Республике Германия было утрачено 500 000 гектаров лесных угодий,
в то время как более десяти миллионов человек потребляли дополнительный
кислород. Соотношение углекислого газа к кислороду в атмосфере значительно
изменилось, и мы уже находимся на пороге, когда мы выходим за рамки условий,
при которых возможно существование человека.
Характеристики кислорода
Характеристики O2 представлены в таблицах ниже:
Кислород в баллоне
| Наименование | Объем баллона, л | Масса газа в баллоне, кг | Объем газа (м3) при Т=15°С, Р=0,1 МПа |
|---|---|---|---|
| O2 | 40 | 8,42 | 6,3 |
Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:
- Сколько кислорода в баллоне в м3?Ответ: в 40 литровом баллоне 6,3 м3
- Сколько в баллоне кислорода?Ответ: в 40 литровом баллоне 6,3 м3 или 8,42 кг
- Сколько весит баллон кислорода?Ответ:
58,5 кг — масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
8,42 — кг масса кислорода в баллоне;Итого: 58,5 + 8,42 = 69,92 кг вес баллона с кислородом.
Для того, чтобы приблизительно узнать сколько кислорода в баллоне, нужно вместимость баллона (м3) умножить на давление (МПа). Например, если вместимость баллона 40 литров (0,04 м3), а давление газа 15 МПа, то объем кислорода в баллоне равен 0,04×15=6 м3.
Химические свойства кислорода
Кислород поддерживает горение.
Горение — б
ыстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и света.
Чтобы доказать, что в склянке находится кислород, а не какой-то другой газ, надо в склянку опустить тлеющую лучинку. В кислороде тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Горение различных веществ на воздухе – это окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является кислород. Окислители – это вещества, «отбирающие» электроны у веществ-восстановителей. Хорошие окислительные свойства кислорода можно легко объяснить строением его внешней электронной оболочки.
Валентная оболочка кислорода расположена на 2-м уровне – относительно близко к ядру. Поэтому ядро сильно притягивает к себе электроны. На валентной оболочке кислорода
2s
2
2p
4
находится 6 электронов. Следовательно, до октета недостает двух электронов, которые кислород стремится принять с электронных оболочек других элементов, вступая с ними в реакции в качестве окислителя.
Кислород имеет вторую (после фтора) электроотрицательность в шкале Полинга. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений с другими элементами кислород имеет
отрицательную
степень окисления. Более сильным окислителем, чем кислород, является только его сосед по периоду – фтор. Поэтому соединения кислорода с фтором – единственные, где кислород имеет положительную степень окисления.
Итак, кислород – второй по силе окислитель среди всех элементов Периодической системы. С этим связано большинство его важнейших химических свойств.
С кислородом реагируют все элементы, кроме Au, Pt, He, Ne и Ar, во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород — окислитель.
Кислород легко реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами:
4Li + O
2
→ 2Li
2
O,
2K + O
2
→ K
2
O
2
,
2Ca + O
2
→ 2CaO,
2Na + O
2
→ Na
2
O
2
,
2K + 2O
2
→ K
2
O
4
Мелкий порошок железа ( так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe
2
O
3
, а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:
3 Fe + 2O
2
→ Fe
3
O
4
2Mg + O
2
→ 2MgO
2Cu + O
2
→ 2CuO
С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:
S + O
2
→ SO
2
,
C + O
2
→ CO
2
,
2H
2
+ O
2
→ H
2
O,
4P + 5O
2
→ 2P
2
O
5
,
Si + O
2
→ SiO
2
, и т.д
Почти все реакции с участием кислорода O
2
экзотермичны, за редким исключением, например:
N
2
+ O
2
→
2NO – Q
Эта реакция протекает при температуре выше 1200
o
C или в электрическом разряде.
Кислород способен окислить сложные вещества, например:
2H
2
S + 3O
2
→ 2SO
2
+ 2H
2
O (избыток кислорода),
2H
2
S + O
2
→ 2S + 2H
2
O (недостаток кислорода),
4NH
3
+ 3O
2
→ 2N
2
+ 6H
2
O (без катализатора),
4NH
3
+ 5O
2
→ 4NO + 6H
2
O (в присутствии катализатора Pt ),
CH
4 (метан)
+ 2O
2
→ CO
2
+ 2H
2
O,
4FeS
2 (
пирит
)
+ 11O
2
→ 2Fe
2
O
3
+ 8SO
2
.
Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O
2
+
, например, O
2
+
[PtF
6
]
—
(успешный синтез этого соединения побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).
Озон
Озон химически более активен, чем кислород O
2
. Так, озон окисляет иодид — ионы I
—
в растворе Kl:
O
3
+ 2Kl + H
2
O = I
2
+ O
2
+ 2KOH
Озон сильно ядовит, его ядовитые свойства сильнее, чем, например, у сероводорода. Однако в природе озон, содержащийся в высоких слоях атмосферы, выполняет роль защитника всего живого на Земле от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Тонкий озоновый слой поглощает это излучение, и оно не достигает поверхности Земли. Наблюдаются значительные колебания в толщине и протяженности этого слоя с течением времени (так называемые озоновые дыры) причины таких колебаний пока не выяснены.
Применение кислорода O
2
: для интенсификации процессов получения чугуна и стали, при выплавке цветных металлов, как окислитель в различных химических производствах, для жизнеобеспечения на подводных кораблях, как окислитель ракетного топлива (жидкий кислород), в медицине, при сварке и резке металлов.
Применение озона О
3
:
для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.
Примечания
- Дикислород // Большая Энциклопедия Нефти Газа
- J. Priestley, Experiments and Observations on Different Kinds of Air, 1776.
- W. Ramsay, The Gases of the Atmosphere (the History of Their Discovery), Macmillan and Co, London, 1896.
- ↑ Inorganic Crystal Structure Database
- Margaret-Jane Crawford и Thomas M. Klapötke The trifluorooxonium cation, OF3+ // Journal of Fluorine Chemistry. — 1999. — Т. 99. — С. 151-156.
-
Curie P., Curie M. (1899). «Effets chimiques produits par les rayons de Becquerel». Comptes rendus de l’Académie des Sciences 129: 823-825.
- Радиационная химия // Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд.. — М.: 1990. — С. 200.
-
Руководство для врачей скорой помощи / Михайлович В. А. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Медицина, 1990. — С. 28-33. — 544 с. — 120 000 экз. — ISBN 5-225-01503-4. (см. ISBN )
- Food-Info.net : E-numbers : E948 : Oxygen.
Описание[править]
Кислород — буквально «тот, что порождает кислоту». Русское слово восходит к М. В. Ломоносову и является калькой французского слова oxygène, предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»).
Атомный номер кислорода — 8; атомная масса — 15,9994. Кислород образует соединения со всеми элементами, кроме гелия, аргона и неона. При нормальных условиях кислород — газ, состоящий из двухатомных молекул. При 90,18 К кислород конденсируется в бледно-голубую жидкость, при 54,36 К — затвердевает. Есть и другие аллотропные формы кислорода, в частности трехатомный кислород (формула O3) называется озон — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом.
Плотность жидкого кислорода — 1,144; температура плавления составляет −218 ° C, температура кипения составляет −183 ° C.
С некоторыми металлами кислород образует пероксиды, надпероксиды, озониды, а с горючими газами — взрывчатые смеси.
Элемент кислород занимает третье место после водорода и гелия по распространенности в Вселенной. Он — самый распространенный химический элемент на Земле — 47 % массы земной коры, 85,7 % массы гидросферы, 23,15 % массы атмосферы, 79 % и 65 % массы растений и животных соответственно. За объемом кислород занимает 92 % объема земной коры. Известно около 1400 минералов, содержащих кислород, главные из них — кварц, полевые шпаты, слюда, глинистые минералы, карбонаты. Более 99,9 % кислорода Земли находится в связанном состоянии. Кислород — фактор, который регулирует распределение элементов в планетарном масштабе. Содержание его с глубиной закономерно уменьшается. Количество кислорода в магматических породах меняется от 49 % в гранитах до 38−42 % в дунитах и кимберлитах. Содержание кислорода в метаморфических породах соответствует глубине их формирования: от 44 % в эклогитах 48 % в кристаллических сланцах. Максимум кислорода — в осадочных породах — 49−51 %. Исключительную роль в геохимических процессах играет свободный кислород — молекулярный кислород, значение которого определяется его высокой химической активностью, большой миграционной способностью и постоянным, относительно высоким содержанием в биосфере, где он не только расходуется, но и воспроизводится. Считается, что свободный кислород появился в протерозое в результате фотосинтеза.
В гипергенных процессах кислород — один из основных агентов, он окисляет сероводород и низшие оксиды. Кислород определяет поведение многих элементов: повышает миграционную способность халькофилов, окисляя сульфиды до подвижных сульфатов, снижает подвижность железа и марганца, осаждая их в виде гидроксидов и вызывая тем самым их разделение. В водах океана содержание кислорода меняется: летом океан отдает кислород в атмосферу, зимой поглощает его. Полярные регионы обогащены кислородом
Важное геохимическое значение имеют соединения кислорода, в частности вода.
Основной промышленный метод получения кислорода — разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Как побочный продукт кислород получают при электролизе воды. Разработан способ получения кислорода методом выборочной диффузии газов через молекулярные сита. Газообразный кислород применяется в металлургии для интенсификации доменных и сталеплавильных процессов, при выплавке цветных металлов в шахтных печах, бессемеровании штейнов и др. (Более 60 % потребляемого кислорода); как окислитель во многих химических производствах; в технике — при сварке и резке металлов; при подземной газификации угля и т. п.; озон — при стерилизации питьевой воды и дезинфекции помещений. Жидкий кислород используют как окислитель для некоторых разновидностей ракетного топлива.
Мы узнаем — Применение кислорода — сообщение доклад по химии 9 класс. Подсказки школьнику
Всем живым существам кислород необходим для дыхания. Поэтому его в баллонах применяют для дыхания в тех условиях, где нет воздуха: под водой, в космосе. Его используют пожарные при работе в условиях высокой задымленности, альпинисты при подъеме на большие высоты. В медицине кислород используют для пациентов, которые не могут самостоятельно дышать, а также для лечения некоторых болезней. Однако долго дышать именно чистым кислородом нельзя, это опасно для жизни.
Это вещество применяют для приготовления кислородных коктейлей, им насыщают куриный белок, смешивая его с витаминами и минералами. Такой продукт улучшает обменные процессы в организме. Газ необходим не только людям. Им обогащают воду при содержании аквариумных рыб и в прудовых хозяйствах, занимающихся выращиванием рыбы как продукта питания. В полеводстве хорошие результаты получают при замачивании семян перед посевом в воде, обогащенной кислородом.
Баллоны кислорода окрашивают в голубой цвет. В металлургии его используют при сварке, резке металлов. Ацетилен, когда сгорает в потоке чистого кислорода, помогает получить температуру около 3000 градусов. При таких высоких температурах железо плавится.
Кислород поддерживает горение. Для интенсификации процессов при сжигании топлива или мусора применяют не чистый кислород, но воздух, который его содержит. Всем теплостанциям, которые работают за счет сжигания нефти, газа или угля нужен кислород из атмосферы. Невозможно без этого элемента сделать качественную бумагу, кислород выступает в роли ее отбеливателя. В стиральных порошках также часто присутствуют кислородные отбеливатели.
Жидкий газ нашел применение в подрывном деле. Его смесь с древесным и угольным порошками, различными взрывчатыми веществами называется оксиликвит. В жидком виде кислород необходим для сжигания ракетного топлива.
Кислород используют при очистке сточных вод. Микроорганизмам активного ила, которые поедают органические отходы, для жизнедеятельности нужен кислород. Из-за этого при очистке воды в нее подают воздух.
Модификация кислорода – озон губителен для бактерий и грибков, поэтому его используют для обеззараживания питьевой воды и воды в бассейнах, стерилизации медицинских изделий, воздуха.
Кислород применяется в следующих случаях:
1) В энергоснабжении. Как известно, атмосфера является газовой геосферой Земли, содержащей огромное количество кислорода, без которого жизнь на нашей планете была бы невозможной. Поэтому все животные, растения, а также другие живые существа используют кислород для производства необходимой энергии.
Кислород у людей и животных поглощается гемоглобином в крови из воздуха в легкие. Затем он переносится в более глубокие ткани тела и далее распределяется по всем клеткам.
Кислород поглощается митохондриями на клеточном уровне. Там он используется для получения энергии от разрушения молекулы глюкозы. Отходы этой реакции включают молекулу воды и двуокись углерода.
2) В здравоохранении. При наличии респираторной недостаточности необходима кислородная терапия. Это может свидетельствовать о таких заболеваний, как ХОБЛ, пневмония, сердечная недостаточность и т. д.
Даже в случае отравления кислородная терапия может быть назначена для стабилизации состояния пациента. Таким образом, медикаментозное использование кислорода включает в себя поддержку дыхания в случае респираторной недостаточности, а также минимизацию воздействия ядовитых веществ на организм.
3) В анализе веществ. Анализ проб разных веществ является ключевым аспектом качества в промышленности. Из доступных аналитических методов в химии, пламенная фотометрия и атомно-абсорбционная спектрометрия используют пламя для определения элементов в образце. Для создания пламени высокой температуры необходим кислород, который преобразовывает возбужденные электроны в атомы.
4) В стерилизации. Кислород — электроотрицательный элемент, являющийся сильным стерилизующим агентом. Он может уничтожать микробы в любой среде, будь то вода или земля. Он используется в качестве дезинфицирующего средства в виде перекиси водорода H2O2.
Кроме того, существует метод, называемый кислородной плазменной обработкой, где молекула кислорода разрушается для выделения одного атома кислорода или его ионов, которые являются смертельно токсичными. Они используются для стерилизации веществ при комнатной температуре.
