Кислород: свойства, история и применение¶

Кислород (химический символ — O, атомный номер 8) — химический элемент 16-й группы (по старой классификации — главной подгруппы шестой группы) второго периода периодической системы Д. И. Менделеева. При нормальных условиях кислород представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, плохо растворимый в воде. По распространённости во Вселенной кислород занимает третье место после водорода и гелия, а в земной коре является самым распространённым элементом, составляя около 47 % её массы.

¶История открытия

Официально кислород был открыт в 1774 году английским химиком Джозефом Пристли, который получил его при нагревании оксида ртути(II). Однако ещё в 1771 году шведский аптекарь Карл Вильгельм Шееле независимо получил кислород путём нагревания селитры и других веществ, но опубликовал свои результаты только в 1777 году. Сам термин «кислород» (от греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю») ввёл Антуан Лавуазье в 1777 году, ошибочно полагая, что кислород является обязательной составной частью всех кислот. Лавуазье также установил роль кислорода в процессах горения и дыхания, опровергнув господствовавшую ранее теорию флогистона.

¶Физические свойства

Кислород при нормальных условиях — газ без цвета и запаха. Его молярная масса составляет 31,998 г/моль, плотность — 1,429 кг/м³ (при 0 °C), что несколько тяжелее воздуха. Температура кипения — −182,96 °C, температура плавления — −218,79 °C. При охлаждении до температуры кипения кислород превращается в бледно-голубую жидкость, обладающую слабыми парамагнитными свойствами. В твёрдом состоянии кислород образует кристаллы светло-синего цвета.

Растворимость кислорода в воде относительно невелика: при 20 °C в одном литре воды растворяется около 31 мл кислорода. Однако именно эта растворённая форма кислорода обеспечивает дыхание водных организмов. Кислород существует в двух аллотропных модификациях: обычный молекулярный кислород (O₂) и озон (O₃), который образуется в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения.

¶Химические свойства

Кислород — один из самых активных неметаллов, уступающий по электроотрицательности лишь фтору. Он образует соединения практически со всеми элементами периодической системы, за исключением гелия, неона и аргона. В соединениях кислород обычно проявляет степень окисления −2, реже −1 (в пероксидах) и +2 (во фториде кислорода OF₂).

Процесс взаимодействия вещества с кислородом называется окислением. При полном окислении органических веществ образуются углекислый газ и вода, при этом выделяется значительное количество энергии. Горение — это быстро протекающий процесс окисления, сопровождающийся выделением тепла и света. Многие вещества способны самовоспламеняться в атмосфере чистого кислорода, поэтому работа с ним требует соблюдения строгих мер безопасности.

¶Круговорот кислорода в природе

В атмосфере Земли содержится около 21 % кислорода по объёму. Основным источником атмосферного кислорода является фотосинтез — процесс, в ходе которого зелёные растения, водоросли и цианобактерии преобразуют углекислый газ и воду в органические вещества с выделением кислорода. Поглощается кислород в процессах дыхания живых организмов, горения, окисления минеральных веществ и промышленной деятельности человека.

За всю историю Земли содержание кислорода в атмосфере неоднократно изменялось. Около 2,4 миллиарда лет назад произошла так называемая «кислородная катастрофа» — резкое повышение концентрации кислорода в атмосфере, вызванное деятельностью цианобактерий. Это событие привело к массовой гибели анаэробных организмов и создало условия для возникновения аэробного дыхания, которое значительно эффективнее по энергетической отдаче.

¶Биологическая роль

Кислород является жизненно необходимым элементом для подавляющего большинства живых организмов. У человека и других млекопитающих кислород транспортируется от лёгких к тканям гемоглобином — железосодержащим белком эритроцитов. В клетках кислород участвует в окислительном фосфорилировании — процессе, в ходе которого в митохондриях синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ), основной энергетический носитель клетки.

Недостаток кислорода в тканях называется гипоксией. Она может возникать при подъёме на высоту, отравлении угарным газом, сердечно-сосудистых заболеваниях и других патологических состояниях. Длительная гипоксия приводит к необратимым повреждениям мозга и других органов. Избыток кислорода (гипероксия) также опасен: при дыхании чистым кислородом под повышенным давлением развивается кислородное отравление, поражающее лёгкие и центральную нервную систему.

¶Промышленное получение и применение

В промышленности кислород получают преимущественно фракционной перегонкой жидкого воздуха. Этот метод основан на различии температур кипения азота (−195,8 °C) и кислорода (−183 °C). Более чистый кислород получают электролизом воды. В лабораторных условиях кислород получают термическим разложением перманганата калия, перекиси водорода или нитратов.

Основные области применения кислорода:

• Металлургия: кислородное дутьё в доменных и мартеновских печах, кислородно-конвертерный способ производства стали;
• Медицина: кислородная терапия при дыхательной недостаточности, наркозное оборудование, гипербарическая оксигенация;
• Химическая промышленность: производство азотной и серной кислот, окисление углеводородов;
• Ракетная техника: жидкий кислород используется как окислитель в ракетных двигателях;
• Сварка и резка металлов: газопламенная обработка в смеси с ацетиленом или пропаном;
• Авиация и водолазное дело: дыхательные смеси для пилотов и водолазов.

Жидкий кислород также применяется в качестве окислителя в некоторых типах взрывчатых веществ, а озон используется для обеззараживания питьевой воды и воздуха.

¶Интересные факты

Кислород составляет 65 % массы человеческого тела, уступая по этому показателю лишь водороду. В составе земной атмосферы кислород появился относительно поздно — первые 2 миллиарда лет существования планеты атмосфера была практически бескислородной. Озонный слой, защищающий биосферу от жёсткого ультрафиолетового излучения, находится в стратосфере на высоте 15–35 километров и состоит из озона — трехатомной аллотропной модификации кислорода.