Оксид кислорода и его свойства¶
Оксид кислорода (O₂O) — не существует в виде стабильного химического соединения с формулой O₂O; под этим термином в химии обычно понимают диоксид кислорода (O₂), то есть молекулярный кислород, либо ошибочное обозначение озона (O₃). В строгом смысле оксидами называют бинарные соединения элементов с кислородом, где кислород имеет степень окисления −2. Поскольку сам кислород не образует устойчивого оксида с самим собой в классическом понимании (степень окисления 0 в O₂), понятие «оксид кислорода» на практике относится к соединениям, в которых кислород формально проявляет положительную степень окисления, например, к диоксигенилу (O₂⁺) или фторидам кислорода, таким как дифторид кислорода (OF₂), где кислород имеет степень окисления +2.
¶Химическая природа и классификация
Кислород — химический элемент 16-й группы (по старой классификации — шестой группы главной подгруппы) второго периода периодической системы Д. И. Менделеева, с атомным номером 8. В свободном виде он существует преимущественно в форме двухатомных молекул O₂, которые составляют около 21 % земной атмосферы по объёму. Аллотропной модификацией кислорода является озон (O₃), обладающий более высокой химической активностью.
Соединения, в которых кислород связан с более электроотрицательным элементом (например, фтором), иногда называют оксидами кислорода, хотя строго они относятся к фторидам кислорода. Наиболее изученным из них является дифторид кислорода (OF₂) — бесцветный ядовитый газ, в котором кислород проявляет степень окисления +2. Другим примером служит диоксидифторид (O₂F₂), где кислород имеет формальную степень окисления +1.
¶История открытия и изучения
Кислород был открыт независимо Карлом Шееле в 1771 году (опубликовано в 1777-м) и Джозефом Пристли в 1774 году. Пристли получил газ, нагревая оксид ртути(II), и назвал его «дефлогистированным воздухом». Антуан Лавуазье в 1775–1777 годах установил его роль в процессах горения и дыхания, дав элементу современное название «оксиген» (от греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), ошибочно полагая, что кислород входит в состав всех кислот.
Озон был открыт в 1840 году швейцарским химиком Кристианом Фридрихом Шёнбейном, который обнаружил характерный запах при электролизе воды и назвал новое вещество «озон» (от греч. ὄζω — «пахну»). Дифторид кислорода впервые синтезирован в 1929 году французскими химиками Полем Лебо и А. Дамьеном.
¶Физические свойства
Молекулярный кислород O₂ — бесцветный газ без вкуса и запаха, плохо растворимый в воде (около 30 мг/л при 20 °C). Температура кипения составляет −182,96 °C, температура плавления −218,79 °C. В жидком состоянии кислород имеет светло-голубой цвет и обладает парамагнитными свойствами, что объясняется наличием двух неспаренных электронов на разрыхляющих молекулярных орбиталях.
Озон O₃ при нормальных условиях — газ с резким характерным запахом, бледно-голубого цвета в толстом слое. Температура кипения озона −111,9 °C, температура плавления −192,5 °C. Озон значительно лучше растворяется в воде, чем кислород.
Дифторид кислорода OF₂ — бесцветный газ с температурой кипения −144,8 °C, при охлаждении конденсируется в бледно-жёлтую жидкость. Вещество крайне реакционноспособно и токсично.
¶Химические свойства
Кислород O₂ — сильный окислитель, поддерживает горение и дыхание. Он энергично реагирует с большинством металлов и неметаллов, образуя оксиды, часто при нагревании или в присутствии катализаторов. При обычной температуре кислород медленно окисляет многие вещества (ржавление железа, прогоркание жиров). С водородом образует взрывчатую гремучую смесь в объёмном соотношении 2:1.
Озон — более сильный окислитель, чем молекулярный кислород. Он окисляет многие металлы (кроме золота и платины) до высших степеней окисления, серебро — до оксида серебра(I) (в то время как O₂ не реагирует с серебром). Озон обесцвечивает индикаторы, разрушает органические соединения и каучук, что используется для определения его присутствия.
Дифторид кислорода OF₂ — чрезвычайно мощный фторирующий и окислительный агент. При нагревании или контакте с органическими веществами может вызывать воспламенение и взрыв. Гидролизуется водой с образованием кислорода и фтороводорода.
¶Применение
Кислород широко используется в промышленности и медицине. В металлургии он применяется для интенсификации процессов выплавки стали (кислородно-конвертерный способ), в химической промышленности — для получения азотной и серной кислот, окисления углеводородов. Медицинский кислород используется для дыхания при гипоксии, в барокамерах и при проведении анестезии. Жидкий кислород применяется как окислитель в ракетных топливах, в частности в паре с керосином или жидким водородом.
Озон применяется для обеззараживания питьевой воды и воздуха, отбеливания бумаги и тканей, в озонотерапии. В атмосфере Земли озоновый слой (стратосферный озон) поглощает жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца, защищая живые организмы.
Дифторид кислорода и другие фториды кислорода имеют ограниченное применение в качестве мощных окислителей в специальных ракетных топливных композициях и в лабораторной практике для синтеза соединений с высокими степенями окисления.
¶Биологическая роль
Кислород — обязательный участник клеточного дыхания всех аэробных организмов. В процессе окислительного фосфорилирования в митохондриях кислород служит конечным акцептором электронов в дыхательной цепи, восстанавливаясь до воды. Свободные радикалы, образующиеся при неполном восстановлении кислорода (супероксид-анион, гидроксильный радикал), повреждают клеточные структуры; для защиты от них существуют ферменты — супероксиддисмутаза, каталаза и пероксидазы.
Озон в тропосфере является загрязнителем воздуха и в высоких концентрациях токсичен для человека и растений, вызывая повреждение лёгочной ткани и снижение урожайности.
¶Интересные факты
- Жидкий кислород имеет голубой цвет и притягивается магнитом, что можно продемонстрировать, выливая его между полюсами сильного магнита.
- Озон в стратосфере образуется под действием ультрафиолетового излучения из молекулярного кислорода; разрушение озонового слоя хлорфторуглеродами стало причиной подписания Монреальского протокола 1987 года.
- Название «оксид кислорода» иногда ошибочно используется в популярной литературе для обозначения перекиси водорода (H₂O₂), хотя это соединение является пероксидом, а не оксидом.