КИСЛОРОД: СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РИСКИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Кислорода является химическим элементом , который представлен символом О. является высоко химически активным газом, который ведет группу 16: халькогены. Это название связано с тем, что сера и кислород присутствуют практически во всех минералах.

Его высокая электроотрицательность объясняет его большую жадность к электронам, которая приводит к объединению с большим количеством элементов; Так возникает широкий спектр минеральных оксидов, обогащающих земную кору. Таким образом, оставшийся кислород составляет и делает атмосферу пригодной для дыхания.

Кислород часто ассоциируется с воздухом и водой, но он также содержится в горных породах и минералах. Источник: Pxhere.

Кислород является третьим по распространенности элементом во Вселенной после водорода и гелия, а также основным компонентом земной коры по массе. Он составляет 20,8% объема атмосферы Земли и составляет 89% массы воды.

Обычно он имеет две аллотропные формы: двухатомный кислород (O ₂ ), который является наиболее распространенной формой в природе, и озон (O ₃ ), обнаруженный в стратосфере. Однако есть два других (O ₄ и O ₈ ), которые существуют в жидкой или твердой фазах и находятся под огромным давлением.

Кислород постоянно производится в процессе фотосинтеза, осуществляемого фитопланктоном и наземными растениями. После производства он высвобождается, чтобы живые существа могли его использовать, а небольшая часть растворяется в море, поддерживая водную жизнь.

Следовательно, это важный элемент для живых существ; не только потому, что он присутствует в большинстве соединений и молекул, которые их образуют, но и потому, что он вмешивается во все их метаболические процессы.

Хотя его изоляция спорно приписываются Карлы Шееля и Джозеф Пристли в 1774 году, есть признаки того, что кислород был фактически изолирован в первый раз в 1608 году, Майкл Сендивогия.

Этот газ используется в медицинской практике для улучшения условий жизни пациентов с респираторными заболеваниями. Точно так же кислород используется, чтобы люди могли выполнять свои функции в среде, где доступ к атмосферному кислороду ограничен или отсутствует.

Промышленно производимый кислород используется в основном в металлургической промышленности для переработки железа в сталь.

История

Азотный дух

В 1500 году Леонардо да Винчи на основе экспериментов Филона Византийского, проведенных во втором веке до нашей эры. С. пришел к выводу, что часть воздуха потреблялась при горении и дыхании.

В 1608 году Корнелиус Дреббл показал, что при нагревании сальпетра (нитрат серебра, KNO ₃ ) выделяется газ. Этот газ, как позже станет известно, был кислородом; но Дреббл не мог идентифицировать это как новый предмет.

Затем, в 1668 году, Джон Маджоу указал, что часть воздуха, которую он назвал «Spiritus nitroaerus», была ответственна за огонь, и что он также потреблялся во время дыхания и сгорания веществ. Маджоу заметил, что вещества не горят в отсутствие нитроариального спирта.

Маджоу осуществил сжигание сурьмы и наблюдал увеличение веса сурьмы во время ее сжигания. Таким образом, Маджоу пришел к выводу, что сурьма сочетается с нитроариновым спиртом.

открытие

Хотя он не получил признания научного сообщества ни при жизни, ни после смерти, вполне вероятно, что Майкл Сандивогиус (1604 г.) является подлинным открывателем кислорода.

Сандивогий был шведским алхимиком, философом и врачом, который произвел термическое разложение нитрата калия. Его эксперименты привели его к высвобождению кислорода, который он назвал «cibus vitae»: пища жизни.

Между 1771 и 1772 годами шведский химик Карл Шееле нагревал различные соединения: нитрат калия, оксид марганца и оксид ртути. Шееле заметил, что из них вышел газ, усиливающий горение, и который он назвал «огненным воздухом».

Эксперименты Джозефа Пристли

В 1774 году английский химик Джозеф Пристли нагрел оксид ртути с помощью 12-дюймового увеличительного стекла, концентрировавшего солнечный свет. Оксид ртути выделял газ, из-за которого свеча горела намного быстрее, чем обычно.

Кроме того, Пристли проверил биологическое действие газа. Для этого он поместил мышь в закрытый контейнер, который, как он рассчитывал, проживет пятнадцать минут; однако в присутствии газа он продержался на час дольше, чем предполагалось.

Пристли опубликовал свои результаты в 1774 году; в то время как Шееле сделал это в 1775 году. По этой причине открытие кислорода часто приписывается Пристли.

Кислород в воздухе

Антуан Лавуазье, французский химик (1777 г.), обнаружил, что воздух содержит 20% кислорода и что когда вещество горит, оно фактически соединяется с кислородом.

Лавуазье пришел к выводу, что очевидное увеличение веса, которое испытывают вещества во время их сгорания, было связано с потерей веса, происходящей в воздухе; так как кислород соединяется с этими веществами и, следовательно, массы реагентов сохраняются.

Это позволило Лавуазье установить Закон сохранения материи. Лавуазье предложил название кислорода, который произошел от образования кислот корня «оксис» и «гены». Итак, кислород означает «образующий кислоту».

Это название неправильное, так как не все кислоты содержат кислород; например, галогениды водорода (HF, HCl, HBr и HI).

Дальтон (1810) приписал воде химическую формулу НО и, следовательно, атомный вес кислорода был 8. Группа химиков, среди них: Дэви (1812) и Берцелиус (1814) исправили подход Дальтона и пришли к выводу, что правильная формула для воды - H ₂ O, а атомный вес кислорода равен 16.

Физические и химические свойства

Внешность

Бесцветный газ без запаха и вкуса; в то время как озон имеет резкий запах. Кислород способствует горению, но сам по себе не является топливом.

Жидкий кислород. Источник: штаб-сержант Ника Гловер, ВВС США.

В жидкой форме (верхнее изображение) он имеет бледно-голубой цвет, а его кристаллы также голубоватые; но они могут приобретать розовый, оранжевый и даже красноватый оттенки (как будет объяснено в разделе об их структуре).

Атомный вес

15,999 шт.

Атомный номер (Z)

8.

Температура плавления

-218,79 ° С.

Точка кипения

-182,962 ° С.

плотность

В нормальных условиях: 1429 г / л. Кислород - это газ, более плотный, чем воздух. Кроме того, он плохо проводит тепло и электричество. А при температуре кипения (жидкости) плотность составляет 1,141 г / мл.

Тройная точка

54,361 К и 0,1463 кПа (14,44 атм).

Критическая точка

154,581 К и 5,043 МПа (49770,54 атм).

Теплота плавления

0,444 кДж / моль.

Теплота испарения

6,82 кДж / моль.

Молярная калорийность

29,378 Дж / (моль · К).

Давление газа

При температуре 90 К он имеет давление пара 986,92 атм.

Состояния окисления

-2, -1, +1, +2. Наиболее важная степень окисления -2 (O ^2- ).

Электроотрицательность

3,44 по шкале Полинга

Энергия ионизации

Первая: 1313,9 кДж / моль.

Второй: 3388,3 кДж / моль.

Третий: 5300,5 кДж / моль.

Магнитный заказ

Парамагнитного.

Растворимость воды

Растворимость кислорода в воде уменьшается с повышением температуры. Например: 14,6 мл кислорода / л воды растворяется при 0 ºC и 7,6 мл кислорода / л воды при 20 ºC. Растворимость кислорода в питьевой воде выше, чем в морской.

При температуре 25 ºC и давлении 101,3 кПа питьевая вода может содержать 6,04 мл кислорода / л воды; в то время как вода морской воды всего 4,95 мл кислорода / л воды.

Реактивность

Кислород - это газ с высокой реакционной способностью, который напрямую вступает в реакцию почти со всеми элементами при комнатной температуре и высоких температурах; за исключением металлов с более высокими потенциалами восстановления, чем медь.

Он также может реагировать с соединениями, окисляя присутствующие в них элементы. Вот что происходит, когда он реагирует с глюкозой, например, с образованием воды и диоксида углерода; или когда горит дерево или углеводород.

Кислород может принимать электроны путем полного или частичного переноса, поэтому он считается окислителем.

Наиболее распространенная степень окисления кислорода - -2. С такой степенью окисления он содержится в воде (H ₂ O), диоксиде серы (SO ₂ ) и диоксиде углерода (CO ₂ ).

Также в органических соединениях, таких как альдегиды, спирты, карбоновые кислоты; обычные кислоты, такие как H ₂ SO ₄ , H ₂ CO ₃ , HNO ₃ ; и его производные соли: Na ₂ SO ₄ , Na ₂ CO ₃ или KNO ₃ . Во всех из них можно было предположить существование O ^2- (что неверно для органических соединений).

Оксиды

Кислород присутствует в виде O ^2- в кристаллических структурах оксидов металлов.

С другой стороны, в металлических супероксидах, таких как супероксид калия (KO ₂ ), кислород присутствует в виде иона O ₂ ^- . В пероксидах металлов, например в пероксиде бария (BaO ₂ ), кислород появляется в виде иона O ₂ ^2- (Ba ²⁺ O ₂ ^2- ).

Изотопы

Кислород имеет три стабильных изотопа: ¹⁶ O с содержанием 99,76%; ¹⁷ О, 0,04%; и ¹⁸ O, с 0,20%. Следует отметить , что ¹⁶ вывода на сегодняшний день является наиболее стабильным и распространенным изотопом.

Структура и электронная конфигурация

Молекула кислорода и ее взаимодействия

Молекула двухатомного кислорода. Источник: Клаудио Пистилли

Кислород в своем основном состоянии представляет собой атом, электронная конфигурация которого:

2с ² 2п ⁴

Согласно теории валентной связи (TEV), два атома кислорода ковалентно связаны, так что оба по отдельности завершают свой октет валентности; в дополнение к возможности спаривать два своих одиночных электрона с 2p-орбиталей.

Таким образом, появляется молекула двухатомного кислорода O ₂ (верхнее изображение), имеющая двойную связь (O = O). Его энергетическая стабильность такова, что кислород никогда не встречается в газовой фазе в виде отдельных атомов, а в виде молекул.

Поскольку O ₂ гомоядерный, линейный и симметричный, у него отсутствует постоянный дипольный момент; следовательно, их межмолекулярные взаимодействия зависят от их молекулярной массы и лондонских сил рассеяния. Эти силы относительно слабы для кислорода, что объясняет, почему в земных условиях он является газом.

Однако, когда температура падает или давление увеличивается, молекулы O ₂ вынуждены объединяться; до такой степени, что их взаимодействия становятся значительными и позволяют образовывать жидкий или твердый кислород. Чтобы попытаться понять их на молекулярном уровне, необходимо не упускать из виду О ₂ как структурную единицу.

озон

Кислород может принимать другие достаточно стабильные молекулярные структуры; то есть он находится в природе (или в лаборатории) в различных аллотропных формах. Озон (нижнее изображение), например O ₃ , является вторым наиболее известным аллотропом кислорода.

Структура резонансного гибрида, представленного сферической и стержневой моделью для молекулы озона. Источник: Бен Миллс через Википедию.

Опять же, TEV поддерживает, объясняет и показывает, что в O ₃ должны быть резонансные структуры, которые стабилизируют положительный формальный заряд кислорода в центре (красные пунктирные линии); в то время как атомы кислорода на концах бумеранга распространяют отрицательный заряд, делая общий заряд для озона нейтральным.

Таким образом, связи не одинарные, но и двойные. Примеры резонансных гибридов очень распространены среди множества неорганических молекул или ионов.

O ₂ и O ₃ , поскольку их молекулярные структуры различны, то же самое происходит с их физическими и химическими свойствами, жидкими фазами или кристаллами (даже когда оба состоят из атомов кислорода). Они предполагают, что крупномасштабный синтез циклического озона, структура которого напоминает красноватый, насыщенный кислородом треугольник, вероятен.

На этом «нормальные аллотропы» кислорода заканчиваются. Однако есть два других, которые следует учитывать: O ₄ и O ₈ , обнаруженные или предложенные в жидком и твердом кислороде соответственно.

Жидкий кислород

Газообразный кислород бесцветен, но когда температура падает до -183 ºC, он конденсируется в бледно-голубую жидкость (похожую на голубую). Взаимодействие между молекулами O ₂ теперь таково, что даже их электроны могут поглощать фотоны в красной области видимого спектра, отражая их характерный синий цвет.

Однако было высказано предположение, что в этой жидкости есть не только простые молекулы O ₂ , но и молекула O ₄ (нижнее изображение). Создается впечатление, что озон «застрял» на другом атоме кислорода, который каким-то образом вмешивается в только что описанный положительный формальный заряд.

Предлагаемая модельная структура со сферами и стержнями для молекулы тетракислорода. Источник: Benjah-bmm27

Проблема в том, что согласно компьютерному и молекулярному моделированию указанная структура для O ₄ не совсем стабильна; однако они предсказывают, что они действительно существуют в виде единиц (O ₂ ) ₂ , то есть две молекулы O ₂ расположены так близко, что образуют своего рода нерегулярный каркас (атомы O не выровнены друг напротив друга).

Твердый кислород

Когда температура падает до -218,79 ºC, кислород кристаллизуется в простой кубической структуре (γ-фаза). При дальнейшем падении температуры кубический кристалл претерпевает переходы в β (ромбоэдрическую и -229,35 ° C) и α (моноклинную и -249,35 ° C) фазы.

Все эти кристаллические фазы твердого кислорода возникают при атмосферном давлении (1 атм). При повышении давления до 9 ГПа (~ 9000 атм) появляется δ-фаза, кристаллы которой оранжевого цвета. Если давление продолжает увеличиваться до 10 ГПа, появляется твердая красная кислородная или ε-фаза (снова моноклинная).

Фаза ε является особенной, потому что давление настолько велико, что молекулы O ₂ не только образуют единицы O ₄ , но и O ₈ :

Модельная структура со сферами и стержнями для молекулы окта-кислорода. Источник: Benjah-bmm27

Обратите внимание, что этот O ₈ состоит из двух блоков O _{4, на} которых видна уже описанная неправильная рамка. Точно так же можно рассматривать его как четыре O _2, выровненных близко и в вертикальных положениях. Однако их стабильность при этом давлении такова, что O ₄ и O ₈ являются двумя дополнительными аллотропами для кислорода.

И, наконец, у нас есть ζ-фаза, металлическая (при давлениях выше 96 ГПа), в которой давление заставляет электроны рассеиваться в кристалле; так же, как это происходит с металлами.

Где найти и производство

полезные ископаемые

Кислород - третий элемент во Вселенной по массе после водорода и гелия. Это самый распространенный элемент в земной коре, составляющий около 50% ее массы. В основном он встречается в сочетании с кремнием в виде оксида кремния (SiO ₂ ).

Кислород содержится в бесчисленных минералах, таких как: кварц, тальк, полевой шпат, гематит, куприт, брусит, малахит, лимонит и т. Д. Точно так же он находится в составе многочисленных соединений, таких как карбонаты, фосфаты, сульфаты, нитраты и т. Д.

Воздух

Кислород составляет 20,8% атмосферного воздуха по объему. В тропосфере он находится в основном в виде двухатомной молекулы кислорода. Находясь в стратосфере, газовом слое на расстоянии от 15 до 50 км от поверхности земли, он находится в виде озона.

Озон образуется в результате электрического разряда на молекуле O ₂ . Этот аллотроп кислорода поглощает ультрафиолетовый свет солнечного излучения, блокируя его вредное действие на человека, что в крайних случаях связано с появлением меланом.

Пресная и соленая вода

Кислород является основным компонентом морской и пресной воды из озер, рек и грунтовых вод. Кислород входит в химическую формулу воды, составляя 89% от ее массы.

С другой стороны, хотя растворимость кислорода в воде относительно низкая, количество растворенного в нем кислорода важно для водных организмов, в том числе многих видов животных и водорослей.

Живые существа

Человек на 60% состоит из воды и в то же время богат кислородом. Но кроме того, кислород входит в состав множества соединений, таких как фосфаты, карбонаты, карбоновые кислоты, кетоны и т. Д., Которые необходимы для жизни.

Кислород также присутствует в полисахаридах, липидах, белках и нуклеиновых кислотах; то есть так называемые биологические макромолекулы.

Он также входит в состав вредных отходов жизнедеятельности человека, например: оксид и диоксид углерода, а также диоксид серы.

Биологическое производство

Растения отвечают за обогащение воздуха кислородом в обмен на углекислый газ, который мы выдыхаем. Источник: Pexels.

Кислород образуется во время фотосинтеза - процесса, при котором морской фитопланктон и наземные растения используют световую энергию, чтобы заставить углекислый газ реагировать с водой, создавая глюкозу и высвобождая кислород.

Подсчитано, что более 55% кислорода, производимого фотосинтезом, происходит за счет действия морского фитопланктона. Следовательно, он представляет собой основной источник производства кислорода на Земле и отвечает за поддержание на ней жизни.

Промышленное производство

Сжижение воздуха

Основным методом производства кислорода в промышленной форме является метод, созданный в 1895 году независимо Карлом Полем Готфридом фон Линде и Уильямом Хэмсоном. Этот метод продолжает использоваться сегодня с некоторыми изменениями.

Процесс начинается со сжатия воздуха для конденсации водяного пара и его удаления. Затем воздух просеивают через смесь цеолита и силикагеля для удаления диоксида углерода, тяжелых углеводородов и остальной воды.

Затем компоненты жидкого воздуха разделяются фракционной перегонкой, в результате чего газы, присутствующие в нем, разделяются по разным точкам кипения. Таким способом можно получить кислород чистотой 99%.

Электролиз воды

Кислород получают путем электролиза воды высокой степени очистки, и его удельная электропроводность не превышает 1 мкСм / см. Вода разделяется электролизом на компоненты. Водород в виде катиона движется к катоду (-); в то время как кислород движется к аноду (+).

Электроды имеют специальную структуру для сбора газов и последующего их разжижения.

Термическое разложение

При термическом разложении таких соединений, как оксид ртути и сальпетр (нитрат калия), высвобождается кислород, который можно собрать для использования. Для этого также используются перекиси.

Биологическая роль

Кислород вырабатывается фитопланктоном и наземными растениями в процессе фотосинтеза. Он проникает через стенку легких и в крови захватывается гемоглобином, который транспортирует его к различным органам для последующего использования в клеточном метаболизме.

В этом процессе кислород используется во время метаболизма углеводов, жирных кислот и аминокислот, чтобы в конечном итоге произвести углекислый газ и энергию.

Дыхание можно описать следующим образом:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ => CO ₂ + H ₂ O + Энергия

Глюкоза метаболизируется в ходе ряда последовательных химических процессов, которые включают гликолиз, цикл Кребса, цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование. Эта серия событий производит энергию, которая накапливается в виде АТФ (аденозинтрифосфата).

АТФ используется в различных процессах в клетках, включая транспорт ионов и других веществ через плазматическую мембрану; всасывание веществ в кишечнике; сокращение разных мышечных клеток; метаболизм разных молекул и др.

Полиморфноядерные лейкоциты и макрофаги - это фагоцитарные клетки, которые способны использовать кислород для производства супероксид-иона, перекиси водорода и синглетного кислорода, которые используются для уничтожения микроорганизмов.

риски

Вдыхание кислорода под высоким давлением может вызвать тошноту, головокружение, мышечные спазмы, потерю зрения, судороги и потерю сознания. Кроме того, продолжительное вдыхание чистого кислорода вызывает раздражение легких, проявляющееся кашлем и одышкой.

Это также может быть причиной образования отека легких: очень серьезного заболевания, ограничивающего дыхательную функцию.

Атмосфера с высокой концентрацией кислорода может быть опасной, так как способствует развитию пожаров и взрывов.

Приложения

Врачи

Кислород вводят пациентам с дыхательной недостаточностью; так бывает у пациентов с пневмонией, отеком легких или эмфиземой. Они не могли дышать кислородом из окружающей среды, так как это серьезно повлияло бы на них.

Больным сердечной недостаточностью с скоплением жидкости в альвеолах также необходимо снабжение кислородом; а также пациентам, перенесшим тяжелое нарушение мозгового кровообращения (ЦВА).

Профессиональная потребность

Пожарные, которые тушат пожар в среде с недостаточной вентиляцией, требуют использования масок и кислородных баллонов, которые позволяют им выполнять свои функции, не подвергая свою жизнь большему риску.

Подводные лодки оснащены кислородным оборудованием, что позволяет морякам находиться в закрытой среде и без доступа к атмосферному воздуху.

Дайверы выполняют свою работу в воде и, таким образом, изолированы от атмосферного воздуха. Они дышат кислородом, перекачиваемым через трубки, соединенные с их гидрокостюмом, или с помощью баллонов, прикрепленных к телу дайвера.

Астронавты выполняют свою деятельность в условиях, оборудованных генераторами кислорода, которые позволяют выжить во время космических путешествий и на космической станции.

промышленные

Более 50% производимого в промышленности кислорода расходуется на превращение железа в сталь. В расплавленный чугун впрыскивают струю кислорода, чтобы удалить присутствующие серу и углерод; они реагируют с образованием газов SO ₂ и CO ₂ соответственно.

Ацетилен используется в сочетании с кислородом для резки металлических пластин, а также для производства их припоя. Кислород также используется в производстве стекла, увеличивая сгорание при обжиге стекла, чтобы улучшить его прозрачность.

Атомно-абсорбционная спектрофотометрия

Комбинация ацетилена и кислорода используется для сжигания образцов различного происхождения в атомно-абсорбционном спектрофотометре.

Во время процедуры луч света от лампы попадает на пламя, что является специфическим для элемента, подлежащего количественной оценке. Пламя поглощает свет лампы, что позволяет количественно определить элемент.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Кислород. Получено с: en.wikipedia.org
3. Ричард Ван Норден. (13 сентября 2006 г.). Просто красивая фаза? Сплошной красный кислород: бесполезно, но приятно. Получено с: nature.com
4. АзоНано. (4 декабря 2006 г.). Кристаллическая структура твердой электронной фазы кислорода, определенная вместе с открытием красного кластера кислорода O8. Получено с: azonano.com
5. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Молекула кислорода. База данных PubChem. CID = 977. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты о кислородном элементе. Chemicool. Получено с: chemicool.com
7. Роберт С. Брастед. (9 июля 2019 г.). Кислород: химический элемент. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
8. Wiki Kids. (2019). Семейство кислорода: свойства элементов VIA. Получено с: simple.science
9. Advameg, Inc. (2019). Кислород. Получено с: madehow.com
10. Lenntech BV (2019). Таблица Менделеева: кислород. Получено с: lenntech.com
11. Департамент здравоохранения и обслуживания пожилых людей Нью-Джерси. (2007). Кислород: информационный бюллетень об опасных веществах. . Получено с: nj.gov
12. Ямель Маттаролло. (2015, 26 августа). Промышленное применение промышленного кислорода. Получено с: altecdust.com