Кислород

Кислород — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы шестой группы), второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 8. Обозначается символом O (лат. Oxygenium). При нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов (O₂). Является одним из самых распространённых элементов на Земле, входит в состав воды, многих минералов и органических соединений, а также составляет около 20,95 % объёма земной атмосферы. Кислород жизненно необходим для дыхания большинства живых организмов и для процессов горения.

История открытия

Официально открытие кислорода приписывается нескольким учёным независимо друг от друга. Первым, кто получил газ, был шведский химик Карл Вильгельм Шееле около 1771 года. Он назвал его «огненным воздухом» и описал в трактате «Химический трактат о воздухе и огне», опубликованном в 1777 году. Однако из-за задержки публикации приоритет часто отдают английскому химику Джозефу Пристли, который в 1774 году выделил кислород, нагревая оксид ртути (HgO). Пристли назвал полученный газ «дефлогистированным воздухом», придерживаясь теории флогистона.

Французский химик Антуан Лавуазье в 1775—1777 годах провёл серию экспериментов, которые позволили ему опровергнуть теорию флогистона и установить, что «дефлогистированный воздух» является самостоятельным химическим элементом. Лавуазье дал ему название «оксиген» (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), ошибочно полагая, что этот элемент входит в состав всех кислот. В русскую химическую номенклатуру название «кислород» ввёл Михаил Васильевич Ломоносов, хотя в его работах этот термин использовался в несколько ином значении.

Нахождение в природе

Кислород является самым распространённым элементом земной коры (по массе). Его содержание в литосфере и гидросфере составляет около 49 % от массы земной коры (включая океаны и атмосферу). В виде простого вещества (O₂) он содержится в атмосфере, где его концентрация составляет примерно 20,95 % по объёму. В связанном виде кислород входит в состав воды (H₂O) — около 89 % от массы воды, а также в состав более 1400 минералов, таких как кварц (SiO₂), гематит (Fe₂O₃), кальцит (CaCO₃) и многие другие.

Биосфера Земли содержит огромное количество связанного кислорода в составе органических веществ (белков, жиров, углеводов). Основным источником атмосферного кислорода является фотосинтез, осуществляемый растениями, водорослями и цианобактериями. В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды под действием солнечного света образуются органические вещества и выделяется свободный кислород.

Физические свойства

При нормальных условиях (температура 0 °C, давление 101,325 кПа) кислород — бесцветный газ без запаха и вкуса. Он немного тяжелее воздуха: плотность газообразного кислорода составляет 1,429 г/л, а плотность воздуха — 1,293 г/л. Кислород плохо растворим в воде: при 20 °C в 100 объёмах воды растворяется около 3,1 объёма кислорода. Однако даже этой концентрации достаточно для дыхания водных организмов.

При охлаждении до −183 °C (90,2 K) кислород конденсируется в бледно-голубую жидкость, а при дальнейшем охлаждении до −218,8 °C (54,4 K) затвердевает в кристаллы синего цвета. Жидкий кислород обладает сильными парамагнитными свойствами — он притягивается к магниту, что объясняется наличием неспаренных электронов в молекуле O₂.

Химические свойства

Кислород — один из самых сильных окислителей. Он реагирует с большинством химических элементов, образуя оксиды. Реакция окисления часто сопровождается выделением тепла и света, что называется горением. В чистом кислороде горение происходит значительно интенсивнее, чем на воздухе.

Взаимодействие с металлами

Большинство металлов окисляются кислородом. Щелочные и щелочноземельные металлы (натрий, калий, кальций) реагируют с кислородом уже при комнатной температуре, образуя оксиды или пероксиды. Например, натрий сгорает в кислороде с образованием пероксида натрия (Na₂O₂). Железо в присутствии влаги медленно окисляется (ржавеет), а при нагревании в кислороде сгорает ярким пламенем, образуя оксид железа (Fe₃O₄).

Взаимодействие с неметаллами

Кислород активно реагирует с большинством неметаллов. Углерод сгорает в кислороде с образованием углекислого газа (CO₂) или угарного газа (CO) в зависимости от условий. Сера горит синим пламенем, образуя сернистый газ (SO₂). Фосфор сгорает с образованием оксида фосфора (P₂O₅). Водород сгорает в кислороде с образованием воды (H₂O). Реакция водорода с кислородом взрывоопасна.

Аллотропные модификации

Кислород образует две аллотропные модификации: дикислород (O₂) — обычный кислород, и озон (O₃). Озон — газ с характерным резким запахом, сильный окислитель, более химически активный, чем O₂. В верхних слоях атмосферы (стратосфере) озон образует озоновый слой, который защищает Землю от жёсткого ультрафиолетового излучения.

Получение

Промышленные способы

Основным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация воздуха. Воздух сжижают при сильном охлаждении, а затем разделяют на компоненты (кислород, азот, аргон) в ректификационных колоннах, используя разницу в температурах кипения. Полученный таким образом кислород имеет чистоту до 99,5 % и выше.

Другие промышленные методы включают:

• Адсорбционное разделение воздуха — с использованием молекулярных сит (цеолитов), которые избирательно поглощают азот, пропуская кислород.
• Мембранное разделение — через полимерные мембраны, пропускающие кислород быстрее, чем азот.

Лабораторные способы

В лабораторных условиях кислород получают термическим разложением некоторых кислородсодержащих соединений:

• Разложение перманганата калия (KMnO₄) при нагревании.
• Разложение перекиси водорода (H₂O₂) в присутствии катализатора (например, диоксида марганца MnO₂).
• Электролиз воды (с добавлением щёлочи для повышения электропроводности).

Применение

Кислород широко используется в различных отраслях промышленности, медицины и техники.

Промышленность

• Металлургия: кислород используется в конвертерном способе производства стали для интенсификации процесса выплавки. На 1 тонну стали расходуется около 50–60 м³ кислорода.
• Химическая промышленность: кислород применяется для получения азотной и серной кислот, метанола, ацетилена и других продуктов, а также для окисления углеводородов.
• Сварка и резка металлов: в газопламенной обработке (ацетилен-кислородная сварка) кислород обеспечивает высокотемпературное пламя.
• Ракетное топливо: жидкий кислород используется как окислитель в ракетных двигателях (например, в двигателях РД-170 и РД-180, используемых в ракетах «Энергия» и «Атлас»).

Медицина

В медицине кислород применяется:

• Для дыхания при гипоксии (кислородном голодании) — через кислородные маски или в барокамерах.
• В составе наркозных смесей (в сочетании с закисью азота или другими анестетиками).
• Для реанимации новорождённых и недоношенных детей.
• В гипербарической оксигенации (лечение в барокамерах под повышенным давлением).

Экология

Кислород используется для очистки сточных вод и питьевой воды (аэрация), а также для сжигания отходов в мусоросжигательных заводах.

Биологическая роль

Кислород является ключевым элементом для аэробных организмов. В процессе клеточного дыхания кислород служит конечным акцептором электронов в электрон-транспортной цепи митохондрий. При этом окисляются органические вещества (глюкоза, жирные кислоты), и выделяется энергия, запасаемая в виде АТФ. Без кислорода аэробное дыхание невозможно, и большинство многоклеточных организмов, включая человека, погибают в течение нескольких минут при его отсутствии.

В то же время, избыток кислорода или его активных форм (свободных радикалов) может быть токсичен для клеток, вызывая окислительный стресс. Для защиты от этого в организмах существуют антиоксидантные системы (ферменты супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза, а также витамины C, E, бета-каротин).

Интересные факты

• Кислород — третий по распространённости элемент во Вселенной после водорода и гелия, хотя его содержание в космосе значительно ниже, чем на Земле.
• Масса кислорода в Мировом океане составляет около 1,3×10¹⁵ тонн, а в атмосфере — около 1,2×10¹⁵ тонн.
• Около 2,5 миллиардов лет назад, в результате деятельности цианобактерий, началось «Кислородное событие» — резкое повышение концентрации кислорода в атмосфере, которое привело к массовому вымиранию анаэробных организмов и формированию озонового слоя.
• Чистый кислород при высоком давлении (более 2–3 атмосфер) может вызывать кислородное отравление, проявляющееся в виде судорог, поражения лёгких и центральной нервной системы.
• В 2016 году учёные обнаружили, что в глубинах Тихого океана, на дне Марианской впадины, существуют сообщества микроорганизмов, которые могут производить кислород в полной темноте, используя восстановленные соединения марганца.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: И. Л. Кнунянц (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
• Кислород // Большая российская энциклопедия. — М., 2004.