Кислород — химический элемент и газ¶

Кислород — химический элемент VIII группы периодической таблицы, атомный номер 8, обозначается символом O. При нормальных условиях образует двухатомный газ O₂, без цвета, запаха и вкуса, который составляет около 21 % объёма земной атмосферы и является одним из самых распространённых элементов в земной коре, Мировом океане и живых организмах.

¶Свойства

¶Физические свойства

Кислород при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) — газ без цвета и запаха. Плотность газообразного O₂ составляет 1,429 г/л, что примерно в 1,1 раза плотнее воздуха. Температура кипения при атмосферном давлении — −182,97 °C (точка кипения кислорода, 90,18 К), температура плавления — −218,79 °C (54,36 К). Кислород слабо растворим в воде: при 20 °C в 1 л воды растворяется около 31 мл O₂, что важно для дыхания водных организмов.

Жидкий кислород — бледно-голубая прозрачная жидкость, обладающая парамагнитными свойствами (молекула O₂ имеет два неспаренных электрона). Твёрдый кислород — бледно-синие кристаллы.

¶Химические свойства

Кислород — сильный окислитель. В обычных условиях он медленно окисляет многие металлы, при нагревании реакция ускоряется: раскалённое железо горит в кислороде с образованием Fe₃O₄. Кислород реагирует с большинством неметаллов — серой, фосфором, углеродом, водородом. Сложные органические вещества при сгорании в кислороде разлагаются до оксидов углерода и воды.

В соединениях кислород проявляет степени окисления от −2 (в большинстве оксидов и гидроксидах) до +2 (в OF₂) и +1 (в O₂F₂). Существуют также пероксиды, где кислород имеет степень −1, и супероксиды — −½.

Кислород образует три аллотропные модификации: O₂ (обычный кислород), O₃ (озон) и O₄ (метастабильная форма, изученная в жидкой фазе).

¶Нахождение в природе

Кислород — самый распространённый по массе химический элемент в земной коре: его содержание достигает около 47 %. В виде оксидов и силикатов кислород входит в состав практически всех горных пород. В Мировом океане кислород связан в молекулах воды (H₂O), составляя около 86 % массы океанической воды.

В свободном виде кислород присутствует в атмосфере (20,95 % объёма сухого воздуха) и в растворённом виде — в воде. Основным источником свободного кислорода в атмосфере является фотосинтез: зелёные растения, цианобактерии и водоросли под действием солнечного света разлагают воду, выделяя O₂. Ежегодно биосфера производит сотни миллиардов тонн кислорода.

¶Получение

¶Лабораторные методы

В лаборатории кислород получают несколькими способами:

• Термическое разложение перманганата калия (KMnO₄) при нагревании.
• Разложение пероксида водорода (H₂O₂) в присутствии катализатора (MnO₂).
• Электролиз разбавленного раствора щёлочи или серной кислоты: на аноде выделяется кислород, на катоде — водород.
• Разложение нитрата ртути Hg(NO₃)₂ — исторический метод, предложенный И. П. Гмелиным.

¶Промышленные методы

Основной промышленный способ — разделение воздуха методом глубокого охлаждения (криогенная ректификация). Воздух охлаждают до жидкого состояния (около −196 °C), а затем фракционной перегонкой разделяют на кислород (кипит при −183 °C), азот (−196 °C) и аргон (−186 °C). Крупные воздухоразделительные установки работают на металлургических заводах, на предприятиях химической промышленности и в медицине.

Второй промышленный метод — электролиз воды, который применяется там, где требуется особо чистый кислород. Кислород также получают как побочный продукт при производстве синтез-газа (смеси CO и H₂) из природного газа.

¶История открытия

Кислород был открыт дважды и независимо друг от друга. В 1771 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле, нагревая нитрат ртути, оксид ртути и другие вещества, выделил «огненный воздух» и описал его свойства, однако опубликовал результаты лишь в 1777 году.

В 1774 году английский учёный Джозеф Пристли, нагревая оксид ртути (HgO) с помощью солнечного луча, собранного линзой, получил газ, в котором свеча горела ярче, а мышь оставалась активной. Пристли назвал его «дефлогистированным воздухом». Антуан Лавуазье, повторив эксперименты и установив природу газа, назвал его «кислородом» (от греч. ὀξύς — кислый и γέννημα — порождающий), предположив ошибочно, что все кислоты обязательно содержат кислород. Именно Лавуазье ввёл современное название элемента и показал его роль в процессах горения и дыхания, опровергнув флогистонную теорию.

¶Роль в живой природе

Кислород необходим для аэробного дыхания — процесса, в котором глюкоза и другие органические вещества окисляются с освобождением энергии. У млекопитающих, птиц, большинства рыб и беспозвоночных кислород переносится гемоглобином крови. У позвоночных кислород поступает в клетки через дыхательную и кровеносную системы.

В земной атмосфере кислород появился около 2,4 млрд лет назад в результате Великого кислородного события — массового выделения O₂ цианобактериями. Это событие коренным образом изменило состав атмосферы и условия эволюции жизни.

¶Применение

Кислород широко применяется в металлургии: обдувка кислородом сталеплавильных печей ускоряет окисление примесей и повышает температуру плавки. В химической промышленности кислород используется для синтеза аммиака, окисления этилена в оксид этилена, производства серной кислоты.

В медицине кислород применяется при лечении заболеваний дыхательной путей, при анестезии, в барокамерах и при реанимации. Кислородные концентраторы и баллоны используются в домашней терапии при хронической обструктивной болезни лёгких.

Жидкий кислород служит окислителем в ракетном топливе: он применяется в двигателях космических ракет, включая отечественные носители семейства «Союз». Также кислород используется в сварочных горелках для получения высокотемпературного пламени.

¶Безопасность

Кислород не является токсичным, однако концентрация выше 23,5 % объёма повышает пожаро- и взрывоопасность: материалы, нормально не горящие в воздухе, в чистом кислороде могут гореть интенсивно. Длительное дыхание чистым кислородом при повышенном давлении вызывает кислородное отравление, проявляющееся судорогами и повреждением лёгочной ткани. Жидкий кислород при контакте с органическими веществами образует взрывоопасные смеси.

Исторические источники:

• Векслер А. Г., Векслер А. А. «Справочник по производству кислорода»
• Лавуазье А. «Мемуар о химическом номенклатуре» (1787)
• Реми Г. «Курс неорганической химии»
• Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
• Некрасов Б. В. «Общая химия»