promgaz.ekb@mail.ru

Кислород

Кислород (лат.Oxygenium, от французского - oxygene или греческого oξuς - острый, окисляющий и рождение - γένος), в периодической системе химической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева обозначает как O, в VI группе короткой формы (XVI группы длинной формы).

Кислород в периодической системе относится к халькогенам и имеет атомный номер 8, атомная масса кислорода составляет - 15,9994.

Кислород

Кислород в природе стостоит из трёх изотопов ¹⁶O(99,75%), ¹⁷O(0,038%) и ¹⁸O(0,205%). В связи с тем что ядро атома ¹⁶O состоит и равного количества протонов и нейтронов - 8, преобладает смесь изотопов и обусловливает поавшенную энергию и их связи в ядре в большую стабильность ядер ¹⁶O в сравнении с другими. Полученные радиоизотопы искусственным путём имеют массовые сисла 12-26.

Кислород - Немного истории

В 1774 году, Карл Вильгельмевич Шееле получил Кислород используя прокаливание нитратов калия KNO₃, натрия NaNO₃, а так-же диоксид марганца MnO₂ и другие вещества.

Английский химик Джозев Пристли получил Кислород при нагревании тетраоксида свинца Pb₃O₄ и оксида ртути HgO.

Немного позднее, когда было установлено, что кислород является частью кислот, Антуан Лоран де Лавуазье определил название oxygene (как ранее упоминадось от греческого oξuς - кислий, окисляющий, острый и γένος - рождение, так и получилось Русское название «кислород»).

Распространённость Кислорода в природе

Если рассматривать зимические элементы на Земле, то Кислород самый распространённый из них, химически связанный кислород содержится в гидросфере и составляет 85,8% (основая часть в составе воды), в коре земли по общей массе 49%. Известно, что примерно в составе полторы тысячи минералов входит кислород.

Преобладающими компонентами являются минеральные вещества, формирующиеся вследствие образования солей кислот, включающих атомы кислорода — среди наиболее значимых выделяются природные карбонаты, природные силикаты, природные сульфаты и природные фосфаты, а также основанные на них горные породы, такие как известняк и мрамор. Помимо этого, значимую роль играют разнообразные природные оксиды, природные гидроксиды и породообразующие материалы типа базальта. Что касается молекулярного кислорода, то его содержание в атмосфере Земли достигает примерно 20,95 % объема (или около 23,10 % массы).

Атмосферный кислород обладает биологическим происхождением и формируется в процессе фотосинтеза зелеными растениями, содержащими пигмент хлорофилл, путем переработки воды и углекислого газа. Образующийся благодаря растениям кислород уравновешивает объемы кислорода, потребляемые в результате процессов разложения органики, окисления топлива и жизнедеятельности организмов посредством дыхания.

Кислород как химический элемент относится к категории биогенов и является неотъемлемым компонентом ключевых групп природных органических веществ, включая белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и прочие соединения, а также присутствует в составе неорганических соединений костной ткани.

Свойста кислорода

Электронная конфигурация внешнего слоя атома кислорода соответствует формуле 2s²2p⁴; в различных соединениях этот элемент демонстрирует степени окисления −2, реже −1, крайне редко +1 и +2; величина электроотрицательности согласно шкале Полинга равна 3,44 (этот показатель уступает лишь фтору); атомный радиус составляет 60 пикометров, а ион O²⁻ характеризуется размером 121 пм (для координационного числа 2). Газообразный, жидкий и твердый кислород представлен двухатомными молекулами O₂, обладающими парамагнитными свойствами. У кислорода имеется ещё одна форма существования — озон, структура которого включает трехатомные молекулы O₃.

Основной характеристикой электронного строения атома кислорода является наличие четного числа валентных электронов, два из которых остаются неспаренными. Вследствие отсутствия низкоэнергетической свободной d-орбитали кислород преимущественно формирует двухвалентные химические связи. Координационные числа, определяемые типом химической связи и структурой кристалла, варьируются: 0 (атомарный кислород), 1 (например, O₂, CO₂), 2 (H₂O, H₂O₂), 3 (H₃O⁺), 4 (оксоацетаты бериллия и цинка), 6 (MgO, CdO), 8 (Na₂O, Cs₂O). Благодаря небольшому размеру своего атома кислород способен создавать устойчивые π-связи с рядом элементов, включая сам кислород (O₂, O₃), углерод, азот, серу и фосфор. Энергетика двойной связи значительно превосходит энергию одиночных связей: образование одной двойной связи (энергия 494 кДж/моль) предпочтительнее образования двух одинарных (146 кДж/моль).

Парамагнитные характеристики молекул O₂ обусловлены присутствием двух неспаренных электронов с одинаковым направлением спинов на дважды вырожденных антисвязывающих π−орбиталях. Четыре дополнительных электрона на связующих орбиталях относительно антисвязующих определяют прочность связи в молекуле O₂, равную двум единицам, то есть связь между атомами кислорода — двойная. Фотохимическое либо химическое воздействие способно перевести один из электронов на вторую π−орбиталь, приводя к первому возбужденному состоянию, которое располагается на 92 кДж/моль выше основного уровня энергии.

Второе возбужденное состояние реализуется, когда оба электрона располагаются на разных π*−орбиталях с противоположными спинами, характеризуясь энергией на 155 кДж/моль большей, чем основное состояние. Переход в возбужденные состояния увеличивает расстояние между атомами O—O (от 120,74 пм в основном состоянии до 121,55 пм и далее до 122,77 пм), способствуя снижению прочности связи и повышению химической активности кислорода. Эти процессы оказывают значительное влияние на механизм реакций окисления в газовом пространстве.

Физические свойства кислорода характеризуются отсутствием окраски, запаха и вкуса; температура плавления составляет минус 218,3 °C, кипения — минус 182,9 °C, плотность газообразного кислорода при стандартных условиях равна 1,42897 г/л. Жидкая фаза кислорода представляет собой светлую голубоватую жидкость, твердое же агрегатное состояние проявляется в виде синих кристаллов.

Теплопроводность кислорода при нулевых градусах Цельсия оценивается величиной 24,65×10⁻³ Вт/(м·K), молярная теплоёмкость при постоянном давлении — 29,27 Дж/(моль·K), диэлектрическая постоянная газообразного кислорода — 1,000547, жидкой фазы — 1,491. Кислород слабо растворим в водной среде (3,1 объемных процента при 20 °C), однако отлично растворяется в ряде фторированных органических растворителей, таких как перфтордекалин (растворимость порядка 4500 объемных процентов при 0 °C).

Благородные металлы, такие как серебро, золото и платина, проявляют способность поглощать значительные объемы кислорода: например, при 962 °C серебряный расплав удерживает до 2200 объёмных процентов газа, причем резкое снижение температуры вызывает выделение растворенного кислорода, сопровождающееся бурным вскипанием и разбрызгиванием металла.

Высокая активность кислорода обусловлена его сильной окислительной способностью: большинство простых веществ вступает в реакцию с ним даже при обычных условиях, зачастую с формированием соответствующих оксидов. Многие медленные процессы при повышении температуры переходят в быстрые реакции, сопровождающиеся значительным тепловыделением и часто заканчивающиеся взрывом. Так, кислород активно взаимодействует с водородом (формируя воду H₂O, смеси газов склонны к детонированию), при повышенных температурах реагирует с серой (SO₂, SO₃), углеродом (CO, CO₂), фосфором (фосфорные оксиды), различными металлами (чаще всего образуются оксиды, пероксиды и надпероксиды, например BaO₂, KO₂). Реакция с азотом возможна исключительно при высоких температурах свыше 1200 °C или электрических разрядах (NO образуется при таком взаимодействии). Косвенно получены соединения кислорода с инертными элементами (ксенон, криптон), галогенами, золотом и платиной.

Химические взаимодействия кислорода исключаются с гелием, неоном и аргоном. Жидкий кислород усиливает окислительную активность: пропитанная таким веществом ткань способна воспламеняться практически моментально при поджигании, а ряд легколетучих органических компонентов загораются сами по себе на удалении в несколько метров от емкости с жидким кислородом.

Химические комплексы кислорода включают три ионных модификации, влияющие на свойства целого ряда соединений: O²⁻ (супероксиды, формально степень окисления −½), O₂²⁻ (пероксиды, степень окисления −1, пример — пероксид водорода H₂O₂), O²⁻ (обычные оксиды, степень окисления −2). Во фториде OF₂ и дифториде O₂F₂ наблюдаются положительные степени окисления (+2 и +1 соответственно). Такие фторидные производные отличаются нестабильностью, выступают мощными окислительными агентами и эффективными фторирующими веществами.

Кислород выступает слабым лигандом, демонстрируя склонность к образованию стабильных комплексов с некоторыми переходными металлами, такими как железо, кобальт, марганец и медь. Важнейшую роль играет именно комплекс железа с порфирином, составляющий основу гемоглобина — ключевого транспортного белка организма теплокровных животных, обеспечивающего доставку кислорода тканям.

Кислород и его биологическая роль

Молекула кислорода участвует в реакциях окисления внутри клеток как в чистом виде, так и будучи частью сложных биохимических структур, таких как ферментативные системы оксидазы и оксидоредуктазы. Данные процессы сопровождаются высвобождением значительных объемов энергии, необходимой организму для поддержания жизненных функций.

Получение кислорода

Если рассматривать получение кислрода в промышленности то есть два основных метода, сжижение и перегонка воздуха или электролиз воды.
В условиях лаборатории кислород получают с помощью разложения при нагревании пероксида водорода ( $2 H_{2} O_{2} = 2 H_{2} O + O_{2}$ ), нагревания оксида металла, например такого как ртуть ( $2 H g O = 2 H g + O_{2}$ ), используя соли кислородосодержащие и кислот-окислителей, таких как хлорат калия (2KClO₃ = 2KCl + 3O₂), перманганат калия ( $2 K M n O_{4} = K 2 M n O_{4} + M n O_{2} + O_{2}$ ) и электролизом водных растворов.

Газообразный кислород хранят и перевозят в спецальных стальных баллонах, окращенные в голубой цвет и маркированные черной надписью Кислород, давление в баллонах 15 и 42 Мпа.
Жидкий кислород траспортируют в сосудах Дьюара или в спецальных цистернах.

Примечание

Технические формы кислорода находят широкое применение в роли окислителя в металлургическом производстве, в частности, в рамках кислородно-конвертерных технологий, а также при термической обработке металлических изделий методами газоплазменной резки. В химической индустрии технический кислород используется для синтеза искусственно синтезируемых видов жидких углеводородных топлив, синтетических смазочных материалов, минеральных кислот, таких как азотная и серная кислота, продуктов нефтехимического производства, таких как метанол, аммиак и аммонийные удобрения, а также неорганических соединений вроде пероксидов металлов.

Высокочистые фракции кислорода применяются в дыхательных системах специального назначения на борту космических аппаратов, на подводных судах и в устройствах индивидуальной защиты, используемых при высотных восхождениях и глубоководных погружениях. Медицинская практика предусматривает использование чистого кислорода в терапевтических процедурах, направленных на насыщение крови пациента кислородом, известных как оксигенотерапия.

Жидкофазный кислород востребован в ракетостроении в качестве компонента окислительного реагента, используемого в реактивных двигателях, а также находит свое применение в области взрывных работ промышленного масштаба. Исследования последних десятилетий демонстрируют перспективность водных дисперсий, приготовленных на основе газовых смесей кислорода, растворённых в специальных фторорганических средах, применяемых в экспериментальных разработках заменителей человеческой крови, примером которых служит препарат перфторан.