-
Кислород – характеристика элемента, распространённость в природе, физические и химические свойства, получение
- Общая характеристика элемента
- Физические свойства кислорода
- Получение кислорода
- Химические свойства кислорода
- Исторические факты о химическом элементе Кислород
- Историческая справка
- Распространение в природе кислорода
- Изотопы, атом, молекула
- Физические свойства кислорода
- Химические свойства кислорода
- Получение кислорода
- Применение кислорода
- Биологическая роль кислорода
- Источники кислорода
- Дефицит кислорода
- Избыток кислорода
Кислород – характеристика элемента, распространённость в природе, физические и химические свойства, получение
Для кислорода известны степени окисления -2, -1, +1, +2
Общая характеристика элемента
Кислород – самый распространенный элемент на Земле, на его долю приходится чуть меньше половины, 49 % от общей массы земной коры. Природный кислород состоит из 3 стабильных изотопов 16 О, 17 О и 18 О (преобладает 16 О). Кислород входит в состав атмосферы (20,9 % по объему, 23,2 по массе), в состав воды и более 1400 минералов: кремнезема, силикатов и алюмосиликатов, мраморов, базальтов, гематита и других минералов и горных пород. Кислород составляет 50-85% массы тканей растений и животных, т.к содержится в белках, жирах и углеводах, из которых состоят живые организмы. Общеизвестна роль кислорода для дыхания, для процессов окисления.
Кислород сравнительно мало растворим в воде – 5 объемов в 100 объемах воды. Однако, если бы весь растворенный в воде кислород перешел в атмосферу, то он занял бы огромный объем – 10 млн км 3 ( н.у). Это равно примерно 1% всего кислорода в атмосфере. Образование на земле кислородной атмосферы обусловлено процессами фотосинтеза.
Открыт шведом К. Шееле ( 1771 – 1772 г.г) и англичанином Дж. Пристли ( 1774г.). Первый использовал нагревание селитры, второй – оксида ртути (+2). Название дал А.Лавуазье («оксигениум» — «рождающий кислоты»).
В свободном виде существует в двух аллотропных модификациях – «обыкновенного» кислорода О2 и озона О3.
Строение молекулы озона
3О2 = 2О3 – 285 кДж
Озон в стратосфере образует тонкий слой, который поглощает большую часть биологически вредного ультрафиолетового излучения.
При хранении озон самопроизвольно превращается в кислород. Химически кислород О2 менее активен, чем озон. Электроотрицательность кислорода 3,5.
Физические свойства кислорода
O2 – газ без цвета, запаха и вкуса, т.пл. –218,7 °С, т.кип. –182,96 °С, парамагнитен.
Жидкий O2 голубого, твердый – синего цвета. O2 растворим в воде (лучше, чем азот и водород).
Получение кислорода
1. Промышленный способ — перегонка жидкого воздуха и электролиз воды:
2. В лаборатории кислород получают:
1.Электролизом щелочных водных растворов или водных растворов кислородосодержащих солей (Na2SO4 и др.)
2. Термическим разложением перманганата калия KMnO4:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2↑,
Бертолетовой соли KClO3:
2KClO3 = 2KCl + 3O2↑ (катализатор MnO2)
3. Разложением пероксида водорода:
2H2O2 = H2O + O2↑ (катализатор MnO2)
Если смешать K2O2 и K2O4 в равномолярных (т.е. эквимолярных) количествах, то на 1 моль поглощенного СО2 выделится один моль О2.
Химические свойства кислорода
Валентная оболочка кислорода расположена на 2-м уровне – относительно близко к ядру. Поэтому ядро сильно притягивает к себе электроны. На валентной оболочке кислорода 2s 2 2p 4 находится 6 электронов. Следовательно, до октета недостает двух электронов, которые кислород стремится принять с электронных оболочек других элементов, вступая с ними в реакции в качестве окислителя.
Итак, кислород – второй по силе окислитель среди всех элементов Периодической системы. С этим связано большинство его важнейших химических свойств.
С кислородом реагируют все элементы, кроме Au, Pt, He, Ne и Ar, во всех реакциях (кроме взаимодействия со фтором) кислород — окислитель.
Мелкий порошок железа ( так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe2O3, а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:
С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:
Почти все реакции с участием кислорода O2 экзотермичны, за редким исключением, например:
N2 + O2 → 2NO – Q
Эта реакция протекает при температуре выше 1200 o C или в электрическом разряде.
Кислород способен окислить сложные вещества, например:
2H2S + O2 → 2S + 2H2O (недостаток кислорода),
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (в присутствии катализатора Pt ),
Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O2 + , например, O2 + [PtF6] — (успешный синтез этого соединения побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).
Озон химически более активен, чем кислород O2. Так, озон окисляет иодид — ионы I — в растворе Kl:
Озон сильно ядовит, его ядовитые свойства сильнее, чем, например, у сероводорода. Однако в природе озон, содержащийся в высоких слоях атмосферы, выполняет роль защитника всего живого на Земле от губительного ультрафиолетового излучения солнца. Тонкий озоновый слой поглощает это излучение, и оно не достигает поверхности Земли. Наблюдаются значительные колебания в толщине и протяженности этого слоя с течением времени (так называемые озоновые дыры) причины таких колебаний пока не выяснены.
Применение кислорода O2: для интенсификации процессов получения чугуна и стали, при выплавке цветных металлов, как окислитель в различных химических производствах, для жизнеобеспечения на подводных кораблях, как окислитель ракетного топлива (жидкий кислород), в медицине, при сварке и резке металлов.
Кислород – характеристика элемента, распространённость в природе, физические и химические свойства, получение
Источник: himege.ru
Общие сведения и методы получения
Кислород (О) —бесцветный газ, не имеющий запаха. Открыт в 1772— 1774 гг. Шееле при сильном прокаливании селитры, а затем при воздействии серной кислоты на пиролюзит (диоксид марганца). Независимо от Шееле в 1774 г. кислород получил Пристли, нагревая оксид ртути и сурик. Современное название элементу дал создатель теории горения Лавуазье, который считал, что кислород является составной частью кислот, и потому назвал этот газ «Oxygene» (кислый).
Содержание кислорода в сухом воздухе 20,9 % (по объему), или 23 % (по массе). В земной коре в форме различных соединений содержится 47,3 % кислорода Общее содержание кислорода в литосфере, гидросфере и атмосфере составляет
50 % по отношению к содержанию всех остальных элементов.
В промышленности кислород получают путем фракционной перегонки жидкого воздуха или фракционным сжижением воздуха. Значительные количества кислорода получают электролизом воды. Кислород, полученный при сжижении воздуха, содержит до 3 % Аг, температура кит нпя которого близка к температуре кипения кислорода. В лабораторных условиях кислород можно получить при термическом разложении богатых этим элементом веществ. Кислород поставляют потребителям в случае его ограниченного расхода в стальных баллонах, давление газа в которых достигает 15 МПа. Технический кислород первого
сорта содержит не менее 99,7% 02, второго — не менее 99,5% 02,
третьего — не менее 99,2 % 02.
Атомные характеристики. Атомный номер 8, атомная масса 15,9994 а е м, атомный объем 10,89-10 —3 м 3 /моль. Атомный радиус кислорода (ковалептный) 0,066 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома кислорода 2s 2 2p 4 . Кислород состоит из трех стабильных изотопов 16 0, 17 0 и 18 0, процентное содержание которых соответственно равно 99,759; 0,037 и 0,204 %• Известны три искусственных радиоактивных изотопа >Ю, 15 0, 19 0 с периодами полураспада 72,1; 126 и 29,4 с соответственно. Ниже 23,85 К при атмосферном давлении стабильна ромбическая а-фаза с периодами о=0,5403 нм, 6 = 0,3429 нм, с=0,5086 нм, 6 = 132,53°. В интервале (—249,15)•+(—229,23) °С стабильна fl -фаза, имеющая ромбоэдрическую структуру с периодами о= =0,3307 нм, с= 1,1256 нм. Выше —229,23 °С существует кубическая модификация y с периодом а— 0,683 нм. Потенциалы ионизации атома кислорода J (эВ): 18,614; 35,15; 54,93. Электроотрицательность 3,5.
Во всех соединениях, за исключением соединения со фтором, степень окисления кислорода равна —2. В соединении со фтором (OF2) степень окисления кислорода положительна и равна +2.
Кислород — элемент очень активный в химическом отношении. Ои вступает во взаимодействие практически со всеми элементами Периодической системы, за исключением инертных газов. При таком взаимодействии образуются химические соединения, которые принято называть оксидами. Оксиды получают двумя методами, непосредственным соединением элементов с кислородом или нагреванием гидроксидов или других кислородных соединений.
Непосредственное соединение элемента с кислородом гораздо более интенсивно происходит при нагреве, в процессе реакции выделяется большое количество тепла, которое может привести к самовозгоранию вещества,
Образующиеся оксиды, как правило, термически устойчивы, за исключением оксидов благородных металлов. Соединения большинства переходных металлов с кислородом устойчивы до 1250—1750 °С. Большой термической стабильностью и стойкостью к действию различных агрессивных сред отличаются оксид алюминия AI2O3, оксид кремния Si02, оксид циркония Zr02 и др.
Многие оксиды при нагреве с водородом или углем восстанавливаются, при этом получаются чистые металлы.
Технологические свойства и области применения
Кислород играет определяющую роль в существовании жизни на Земле. С ним связано возникновение природы и последующее ее эволюционное развитие.
В технике и промышленности кислород применяется для интенсификации различных технологических процессов (доменное и сталеплавильное производство, получение серной и азотной кислот). Кислород обеспечивает получение высоких температур сгорания различных газов, что находит широкое применение в высокотемпературной технологии (газовая сварка, резка).
Общие сведения и методы полученияКислород (О) —бесцветный газ, не имеющий запаха. Открыт в 1772— 1774 гг. Шееле при сильном прокаливании селитры, а затем при воздействии серной кислоты на пиролюзит (диоксид марганца). Независимо от Шееле в 1774 г. кислород получил Пристли, нагревая оксид ртути и сурик. Современное название элементу дал создатель теории горения Лавуазье, который считал, что кислород является составной частью кислот, и потому назвал этот газ «Oxygene» (кислый).
Источник: ibrain.kz
Что такое кислород? Это 8-ой химический элемент периодической таблицы Д.И. Менделеева, имеющий относительную атомную массу 16. Он представляет собой бесцветный газ, который не имеет запаха и вкуса. Кислород играет важнейшую роль в жизни людей. Нельзя назвать элемент, который был бы наиболее важен для Земли. Мы не просто так начинаем изучать химию именно с кислорода. Со всеми элементами периодической таблицы кислород образует какие-либо соединения. Исключением являются легкие инертные газы.
Кислород, наряду с химическим элементом «углерод«, играет важнейшую роль в деятельности человечества и жизни на Земле. В атмосфере Земли он находится в свободном состоянии. В океанах и морях содержится большой объем кислорода. Кислород – «порождающий кислоту». В нормальных условиях он представляет собой газ, состоящий из двухатомных молекул. Но кислород также имеет свойство затвердевать и конденсироваться в светло-голубую жидкость. Он может образовывать взрывчатые смеси при взаимодействии с горючими газами. В промышленности кислород получают путем деления воздуха. Кислород используют в некоторых видах ракетного топлива, на металлургических предприятиях, химических заводах, в шахтах.
Большое влияние на увеличение объемов кислорода на поверхности нашей планеты оказали прокариоты, представляющие собой зелено-синие водоросли. Эти простейшие организмы появились около 2 миллиардов лет назад. Они потребляли углерод и кислород из углекислого газа, с помощью фотосинтеза, и в то же время выбрасывали в воздух свободный кислород. Прокариотам не нужен был свободный кислород, потому что они обладали анаэробным типом дыхания. Получается, что вещество, без которого сейчас мы не могли бы существовать, когда-то было загрязняющим. Из-за этого загрязнения произошли значительные изменения в строении Земли. Кислород — это основная причина ржавления металлов, а также он является сильным окислителем при процессе нагревания. Этот химический элемент малорастворим в воде. При температуре 20 градусов Цельсия имеет малую химическую активность. Поддерживает горение некоторых веществ на открытом воздухе. Простейший опыт для проверки этого явления – воспламенение уже тлеющей деревянной лучинки в кислородной атмосфере.
Исторические факты о химическом элементе Кислород
С самых древних времен ученые интересовались процессами дыхания и горения. Китайские документы 8 века указывают на то, что не сам воздух поддерживает процесс горения, а только некоторая его часть. Леонардо Да Винчи, живший в 15 веке, тоже исследовал это явление. Финальное открытие двух составляющих воздуха произошло в 1773 году. Выдающийся шведский ученый К.В. Шееле и Джозеф Пристли практически одновременно получили кислород, независимо друг от друга. На основе масштабных научных исследований они смогли объяснить горение и дыхание как процессы взаимодействия некоторых веществ с Кислородом. А в 1775 году А. Лавуазье назвал кислород «образующим кислоты». Такое название было выбрано потому, что кислород входит в состав некоторых кислот. Немалый вклад в открытие кислорода внес французский ученый Пьер Байен. Он опубликовал свои работы по экспериментам с ртутью и ее оксидом. Также здесь стоит упомянуть теорию Флогистона, тормозившую развитие науки в течение длительного времени.
В 1898 году было выдвинуто утверждение о том, что человечеству в скором будущем грозит смерть от удушья. Это утверждение обуславливалось тем, что в воздух ежедневно выделяется огромный объем углекислого газа, преимущественно от промышленных фабрик и заводов. К счастью, это утверждение было опровергнуто. К.А. Тимирязев доказал, что зеленые растения, выделяющие кислород, не позволят человечеству исчезнуть с этой планеты.
Статья содержит описание кислорода и его свойств. Поднимается вопрос о значении кислорода для живых организмов, приводятся данные о химических свойствах
Источник: www.alto-lab.ru
Кислород (латинское Oxygenium), О, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; атомный номер 8, атомная масса 15,9994, молекула кислорода при обычных условиях состоит из двух атомов кислорода. Химическая формула кислорода имеет вид – O2. При нормальных условиях кислород тяжелее воздуха — газ без цвета, запаха и вкуса. Трудно назвать другой элемент, который играл бы на нашей планете такую важную роль, как кислород. Кислород играет одну из самых важнейших ролей в жизни всего живого на планете так как кислород необходим для дыхания большинства живых существ на Земле, а также химических и физических процессах. Объём кислорода по своей распространённости на Земле прочно удерживает первое место. Масса кислорода в разных средах разная. Наибольшая доля кислорода приходится на гидросферу Земли. В атмосфере лидирующую позицию по содержанию занимает азот кислород находится на втором месте, в литосфере масса кислорода составляет чуть меньше половины. Содержание кислорода в глубинах Земли, в мантии и ядре, не известны, существуют лишь предварительные оценки содержащегося количества кислорода. Сколько кислорода содержится на Земле, точное значение, также не известны, только лишь предположительные оценки. Кислород является сильным окислителем, в процессе реакции с кислородом других элементов образуются оксиды кислорода. Кислород содержится практически в всех минералах, массовая доля кислорода в различных соединениях может резко различаться. Реакции с кислородом проходят по-разному, в одних случаях реакции проходят спокойно, в других бурно. Реакция водород кислород проходит в виде взрыва в процессе которой образуется простая вода – H2O. Чистый кислород не горюч. Сгорание кислорода происходит только в процессе реакции с другим химическим элементом или веществом. К самым распространённым соединениям относятся водород кислород (H2O), углерод кислород (CO2), кремний кислород (SiO2) и ряд других соединений. Кислород широко используется во многих сферах человеческой деятельности, применяется как в виде различных соединений, так и в чистом виде. В чистом виде кислород широко применяется в металлургии, медицине, строительстве, различных отраслях промышленности. Основной вид получения кислорода в чистом виде происходит из воздуха. Транспортировка кислорода может осуществляться по трубопроводам и баллонах. Давления кислорода в транспортировочных баллонах доходит до 150 атмосфер.
Историческая справка
Процессы горения и дыхания издавна привлекали внимание учёных. Первые указания на то, что не весь воздух, а лишь «активная» его часть поддерживает горение, обнаружены в китайских рукописях 8 в. Много позже Леонардо да Винчи (1452—1519) рассматривал воздух как смесь двух газов, лишь один из которых расходуется при горении и дыхании. Окончательное открытие двух главных составных частей воздуха — азота и кислорода, сделавшее эпоху в науке, произошло только в конце 18 века (см. Химия, Исторический очерк). Кислород получили почти одновременно К. Шееле (1769—70) путём прокаливания селитр (KNO3, NaNO3), двуокиси марганца MnO2 и других веществ и Дж. Пристли (1774) при нагревании сурика Pb3O4 и окиси ртути HgO. В 1772 Д. Резерфорд открыл азот. В 1775 году А. Лавуазье, произведя количественный анализ воздуха, нашёл, что он «состоит из двух (газов) различного и, так сказать, противоположного характера», т. е. из кислорода и азота. На основе широких экспериментальных исследований Лавуазье правильно объяснил горение и дыхание как процессы взаимодействия веществ с кислородом. Поскольку кислород входит в состав кислот, Лавуазье назвал его oxygene, т. е. «образующий кислоты» (от греческого oxýs — кислый и gennáo — рождаю; отсюда и русское название «кислород»).
Распространение в природе кислорода
Кислород — самый распространённый химический элемент на Земле. Связанный кислород составляет около 6 /7 массы водной оболочки Земли — гидросферы (85,82% по массе), почти половину литосферы (47% по массе), и только в атмосфере, где кислород находится в свободном состоянии, он занимает второе место (23,15% по массе) после азота.
Кислород стоит на первом месте и по числу образуемых им минералов (1364); среди минералов, содержащих кислород, преобладают силикаты (полевые шпаты, слюды и др.), кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах в среднем около 70% кислорода; он входит в состав большинства важнейших органических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав неорганических соединений скелета. Исключительно велика роль свободного кислорода в биохимических и физиологических процессах, особенно в дыхании. За исключением некоторых микроорганизмов-анаэробов, все животные и растения получают необходимую для жизнедеятельности энергию за счёт окисления биологического различных веществ с помощью кислорода.
Вся масса свободного кислорода Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зелёных растений суши и Мирового океана, выделяющих кислород в процессе фотосинтеза. На земной поверхности, где протекает фотосинтез и господствует свободный кислород, формируются резко окислительные условия. Напротив, в магме, а также глубоких горизонтах подземных вод, в илах морей и озер, в болотах, где свободный кислород отсутствует, формируется восстановительная среда. Окислительно-восстановительные процессы с участием кислорода определяют концентрацию многих элементов и образование месторождений полезных ископаемых — угля, нефти, серы, руд железа, меди и т.д. (см. Круговорот веществ). Изменения в круговорот кислорода вносит и хозяйственная деятельность человека. В некоторых промышленных странах при сгорании топлива расходуется кислорода больше, чем его выделяют растения при фотосинтезе. Всего же на сжигание топлива в мире ежегодно потребляется около 9·10 9 тон кислорода.
Изотопы, атом, молекула
Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16 О, 17 O и 18 O, среднее содержание которых составляет соответственно 99,759%, 0,037% и 0,204% от общего числа атомов кислорода на Земле. Резкое преобладание в смеси изотопов наиболее лёгкого из них 16 O связано с тем, что ядро атома 16 O состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра, как следует из теории атомного ядра, обладают особой устойчивостью.
В соответствии с положением кислорода в периодической системе элементов Менделеева электроны атома кислорода располагаются на двух оболочках: 2 — на внутренней и 6 — на внешней (конфигурация 1s 2 2s 2 2p 4 см. Атом). Поскольку внешняя оболочка атома кислорода не заполнена, а потенциал ионизации и сродство к электрону составляют соответственно 13,61 и 1,46 эв, атом кислорода в химических соединениях обычно приобретает электроны и имеет отрицательный эффективный заряд. Напротив, крайне редки соединения, в которых электроны отрываются (точнее оттягиваются) от атома кислорода (таковы, например, F2O, F2O2). Раньше, исходя единственно из положения кислорода в периодической системе, атому кислорода в окислах и в большинстве других соединений приписывали отрицательный заряд (—2). Однако, как показывают экспериментальные данные, ион O 2- не существует ни в свободном состоянии, ни в соединениях, и отрицательный эффективный заряд атома кислорода практически никогда существенно не превышает единицы.
В обычных условиях молекула кислорода двухатомна (O2); в тихом электрическом разряде образуется также трёхатомная молекула O3 — озон; при высоких давлениях обнаружены в небольших количествах молекулы O4. Электронное строение O2 представляет большой теоретический интерес. В основном состоянии молекула O2 имеет два неспаренных электрона; для неё неприменима «обычная» классическая структурная формула О=О с двумя двухэлектронными связями (см. Валентность). Исчерпывающее объяснение этого факта дано в рамках теории молекулярных орбиталей. Энергия ионизации молекулы кислорода (O2 — е®О2 + ) составляет 12,2 эв, а сродство к электрону (O2 + е ® O2 – ) — 0,94 эв. Диссоциация молекулярного кислорода на атомы при обычной температуре ничтожно мала, она становится заметной лишь при 1500 °С; при 5000 °С молекулы кислорода почти полностью диссоциированы на атомы.
Физические свойства кислорода
Кислород — бесцветный газ, сгущающийся при —182,9 °С и нормальном давлении в бледно-синюю жидкость, которая при —218,7 °С затвердевает, образуя синие кристаллы. Плотность газообразного кислорода (при 0°С и нормальном давлении) 1,42897 г/л. Критическая температура кислорода довольно низка tkpит = —118,84 °С), т. е. ниже, чем у Cl2, CO2, SO2 и некоторых других газов; Ркрит = 4,97 Мн/м 2 (49,71 am). Теплопроводность (при 0 °С) 23,86Ч10 -3 вт/(м·К), т. е. 57Ч10 -6 кал/сек·см·°С). Молярная теплоёмкость (при 0 °С) в дж/(моль·К) Ср = 28,9, Cv = 20,5; в кал/(моль· o C) Ср = 6,99, Cv = 4,98; Cp/Cv = 1,403. Диэлектрическая проницаемость газообразного кислорода 1,000547 (0 °С), жидкого 1,491. Вязкость 189 мпуаз (0 °С). Кислород мало растворим в воде: при 20 °С и 1 am в 1 м 3 воды растворяется 0,031 м 3 , а при 0 °С — 0,049 м 3 кислорода. Хорошими твёрдыми поглотителями кислорода являются платиновая чернь и активный древесный уголь.
Химические свойства кислорода
Кислород образует химические соединения со всеми элементами, кроме лёгких инертных газов. Будучи наиболее активным (после фтора) неметаллом, кислород взаимодействует с большинством элементов непосредственно; исключение составляют тяжелые инертные газы, галогены, золото и платина; их соединения с кислородом получают косвенным путем. Почти все реакции кислорода с другими веществами — реакции окисления экзотермичны, т. е. сопровождаются выделением энергии. С водородом при обычных температурах кислород реагирует крайне медленно, выше 550 °С эта реакция идёт со взрывом: 2Н2 + O2 = 2H2O. С серой, углеродом, азотом, фосфором кислород взаимодействует при обычных условиях очень медленно. При повышении температуры скорость реакции возрастает и при некоторой, характерной для каждого элемента температуре воспламенения начинается горение. Реакция азота с кислородом благодаря особой прочности молекулы N2 эндотермична и становится заметной лишь выше 1200 °С или в электрическом разряде: N2+O2 = 2NO. Кислород активно окисляет почти все металлы, особенно легко — щелочные и щёлочноземельные. Активность взаимодействия металла с кислородом зависит от многих факторов — состояния поверхности металла, степени измельчения, присутствия примесей (см. Алюминий, Железо, Хром и т.д.).
В процессе взаимодействия вещества с кислородом исключительно важна роль воды. Например, даже такой активный металл, как калий, с совершенно лишённым влаги кислородом не реагирует, но воспламеняется в кислороде при обычной температуре в присутствии даже ничтожных количеств паров воды. Подсчитано, что в результате коррозии ежегодно теряется до 10% всего производимого металла.
Окиси некоторых металлов, присоединяя кислород, образуют перекисные соединения, содержащие 2 или более связанных между собой атомов кислорода. Так, перекиси Na2O2 и ВаО2 включают перекисный ион O2 2- , надперекиси NaO2 и KO2 — ион O2 – , а озониды NaO3, KO3, RbO3 и CsO3 — ион O3 – . Кислород экзотермически взаимодействует со многими сложными веществами. Так, аммиак горит в кислороде в отсутствии катализаторов, реакция идёт по уравнению: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2О. Окисление аммиака кислородом в присутствии катализатора даёт NO (этот процесс используют при получении азотной кислоты). Особое значение имеет горение углеводородов (природного газа, бензина, керосина) — важнейший источник тепла в быту и промышленности, например, СН4+2О2 = СО2+2Н2О. Взаимодействие углеводородов с кислородом лежит в основе многих важнейших производственных процессов — такова, например, так называемая конверсия метана, проводимая для получения водорода: 2СН4+О2+2Н2О=2СО2+6Н2 (см. Конверсия газов). Многие органические соединения (углеводороды с двойной или тройной связью, альдегиды, фенолы, а также скипидар, высыхающие масла и др.) энергично присоединяют кислород. Окисление кислородом питательных веществ в клетках служит источником энергии живых организмов.
Получение кислорода
Существует 3 основных способа получения кислорода: химический, электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха).
Химический способ изобретён ранее других. Кислород можно получать, например, из бертолетовой соли KClO3, которая при нагревании разлагается, выделяя O2 в количестве 0,27 м 3 на 1 кг соли. Окись бария BaO при нагревании до 540 °С сначала поглощает кислород из воздуха, образуя перекись BaO2, а при последующем нагревании до 870 °С BaO2 разлагается, выделяя чистый кислород. Его можно получать также из KMnO4, Ca2PbO4, K2Cr2O7 и других веществ при нагревании и добавлении катализаторов. Химический способ получения кислорода малопроизводителен и дорог, промышленного значения не имеет и используется лишь в лабораторной практике.
Электролизный способ состоит в пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения её электропроводности добавлен раствор едкого натра NaOH. При этом вода разлагается на кислород и водород. Кислород собирается около положительного электрода электролизёра, а водород — около отрицательного. Этим способом кислород добывают как побочный продукт при производстве водорода. Для получения 2 м 3 водорода и 1 м 3 кислорода затрачивается 12—15 квт·ч электроэнергии.
Разделение воздуха является основным методом получения кислорода в современной технике. Осуществить разделение воздуха в нормальном газообразном состоянии очень трудно, поэтому воздух прежде сжижают, а затем уже разделяют на составные части. Такой способ получения кислорода называют разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (—180 °С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов [tkип O2 90,18 К (—182,9 °С), tkип N2 77,36 К (—195,8 °С)]. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн (см. Ректификация), получают жидкий кислород нужной чистоты (концентрации). В России (СССР) выпускают мелкие (на несколько литров) и самые крупные в мире кислородные воздухоразделительные установки (на 35000 м 3 /ч кислорода). Эти установки производят технологический кислород с концентрацией 95—98,5%, технический — с концентрацией 99,2—99,9% и более чистый, медицинский кислород, выдавая продукцию в жидком и газообразном виде. Расход электрической энергии составляет от 0,41 до 1,6 квт·ч/м 3 .
Кислород можно получать также при разделении воздуха по методу избирательного проницания (диффузии) через перегородки-мембраны. Воздух под повышенным давлением пропускается через фторопластовые, стеклянные или пластиковые перегородки, структурная решётка которых способна пропускать молекулы одних компонентов и задерживать другие. Этот способ получения кислорода пока (1973) используется лишь в лабораториях.
Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах и ресиверах при давлении 15 и 42 Мн/м 2 (соответственно 150 и 420 бар, или 150 и 420 am), жидкий кислород — в металлических сосудах Дьюара или в специальных цистернах-танках. Для транспортировки жидкого и газообразного кислорода используют также специальные трубопроводы. Кислородные баллоны окрашены в голубой цвет и имеют чёрную надпись «кислород».
Применение кислорода
Технический кислород используют в процессах газопламенной обработки металлов, в сварке, кислородной резке, поверхностной закалке, металлизации и др., а также в авиации, на подводных судах и пр. Технологический кислород применяют в химической промышленности при получении искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислот, метанола, аммиака и аммиачных удобрений, перекисей металлов и других химических продуктов. Жидкий кислород применяют при взрывных работах (см. Оксиликвиты), в реактивных двигателях и в лабораторной практике в качестве хладагента.
Заключенный в баллоны чистый кислород используют для дыхания на больших высотах, при комических полетах, при подводном плавании и др. В медицине кислород дают для вдыхания тяжелобольным, применяют для приготовления кислородных, водяных и воздушных (в кислородных палатках) ванн, для внутримышечного введения и т.п. (см. Кислородная терапия).
Кислород в металлургии широко применяется для интенсификации ряда пирометаллургических процессов. Полная или частичная замена поступающего в металлургические агрегаты воздуха кислородом изменила химизм процессов, их теплотехнические параметры и технико-экономические показатели. Кислородное дутьё позволило сократить потери тепла с уходящими газами, значительную часть которых при воздушном дутье составлял азот. Не принимая существенного участия в химических процессах, азот замедлял течение реакций, уменьшая концентрацию активных реагентов окислительно-восстановительной среды. При продувке кислородом снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургических агрегатах возможно получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих специальное техническое применение) и др.
Первые опыты по применению дутья, обогащенного кислородом, в доменном производстве для выплавки передельного чугуна и ферромарганца были проведены одновременно в СССР и Германии в 1932—33 годах. Повышенное содержание кислорода в доменном дутье сопровождается большим сокращением расхода последнего, при этом увеличивается содержание в доменном газе окиси углерода и повышается его теплота сгорания. Обогащение дутья кислорода позволяет повысить производительность доменной печи, а в сочетании с газообразным и жидким топливом, подаваемым в горн, приводит к снижению расхода кокса. В этом случае на каждый дополнительный процент кислорода в дутье производительность увеличивается примерно на 2,5%, а расход кокса снижается на 1%.
Кислород в мартеновском производстве в СССР сначала использовали для интенсификации сжигания топлива (в промышленном масштабе кислород для этой цели впервые применили на заводах «Серп и молот» и «Красное Сормово» в 1932—33). В 1933 году начали вдувать кислород непосредственно в жидкую ванну с целью окисления примесей в период доводки. С повышением интенсивности продувки расплава на 1 м 3 /т за 1 ч производительность печи возрастает на 5—10%, расход топлива сокращается на 4—5%. Однако при продувке увеличиваются потери металла. При расходе кислорода до 10 м 3 /т за 1 ч выход стали снижается незначительно (до 1%). В мартеновском производстве кислород находит всё большее распространение. Так, если в 1965 году с применением кислорода в мартеновских печах было выплавлено 52,1% стали, то в 1970 году уже 71%.
Опыты по применению кислорода в электросталеплавильных печах в СССР были начаты в 1946 году на заводе «Электросталь». Внедрение кислородного дутья позволило увеличить производительность печей на 25—30%, снизить удельный расход электроэнергии на 20—30%, повысить качество стали, сократить расход электродов и некоторых дефицитных легирующих добавок. Особенно эффективной оказалась подача кислорода в электропечи при производстве нержавеющих сталей с низким содержанием углерода, выплавка которых сильно затрудняется вследствие науглероживающего действия электродов. Доля электростали, получаемой в СССР (Россия) с использованием кислорода, непрерывно растет и в 1970 году составила 74,6% от общего производства стали.
В ваграночной плавке обогащенное кислородное дутьё применяется главным образом для высокого перегрева чугуна, что необходимо при производстве высококачественного, в частности высоколегированного, литья (кремнистого, хромистого и т.д.). В зависимости от степени обогащения кислородом ваграночного дутья на 30—50% снижается расход топлива, на 30—40% уменьшается содержание серы в металле, на 80—100% увеличивается производительность вагранки и существенно (до 1500 °С) повышается температура выпускаемого из неё чугуна.
О значении кислорода в конвертерном производстве см. в ст. Кислородно-конвертерный процесс.
Кислород в цветной металлургии получил распространение несколько позже, чем в чёрной. Обогащенное кислородом дутьё используется при конвертировании штейнов, в процессах шлаковозгонки, вельцевания, агломерации и при отражательной плавке медных концентратов. В свинцовом, медном и никелевом производстве кислородное дутьё интенсифицировало процессы шахтной плавки, позволило снизить расход кокса на 10—20%, увеличить проплав на 15—20% и сократить кол-во флюсов в отдельных случаях в 2—3 раза. Обогащение кислородом воздушного дутья до 30% при обжиге цинковых сульфидных концентратов увеличило производительность процесса на 70% и уменьшило объём отходящих газов на 30%. Разрабатываются новые высокоэффективные процессы плавки сульфидных материалов с применением чистого кислорода: плавка в кислородном факеле, конвертирование штейнов в вертикальных конвертерах, плавка в жидкой ванне и др.
Кислород относится к элементам-органогенам. Его содержание составляет до 65% массы тела человека, то есть более 40 кг у взрослого. Кислород наиболее распространенный окислитель на Земле, в окружающей среде он представлен в двух формах – в виде соединений (земная кора и вода: оксиды, пероксиды, гидроксиды и т.д.) и в свободном виде (атмосфера).
Биологическая роль кислорода
Основной (фактически единственной) функцией кислорода является его участие как окислителя в окислительно-восстановительных реакциях в организме. Благодаря наличию кислорода, организмы всех животных способны утилизировать (фактически «сжигать») различные вещества (углеводы, жиры, белки) с извлечением определенной энергии «сгорания» для собственных нужд. В покое организм взрослого человека потребляет 1,8-2,4 г кислорода в минуту.
Источники кислорода
Основным источником кислорода для человека является атмосфера Земли, откуда за счет дыхания организм человека способен извлекать необходимое для жизни количество кислорода.
Дефицит кислорода
При дефиците в организме человека развивается так называемая гипоксия.
Причины дефицита кислорода
- отсутствие или резко сниженное содержание кислорода в атмосфере;
- сниженное парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе (при подъеме на большие высоты – в горах, летательных аппаратах);
- прекращение или снижение поступления кислорода в легкие при асфиксии;
- нарушения транспорта кислорода (нарушения деятельности сердечно-сосудистой системы значительное снижение гемоглобина в крови при анемии, неспособность гемоглобина выполнять свои функции – связывать, транспортировать или отдавать тканям кислород, например, при отравлении угарным газом);
- неспособность тканей утилизировать кислород вследствие нарушения окислительно-восстановительных процессов в тканях (например, при отравлении цианидами)
Последствия дефицита кислорода
При острой гипоксии:
- потеря сознания;
- расстройство, необратимые нарушения и быстрая гибель центральной нервной системы (буквально за минуты)
При хронической гипоксии:
- быстрая физическая и умственная утомляемость;
- нарушения центральной нервной системы;
- тахикардия и одышка в покое или при незначительной физической нагрузке
Избыток кислорода
Наблюдается крайне редко, как правило, в искусственных условиях (например, гипербарические камеры, неправильно подобранные смеси для дыхания при погружении по воду и т.д.). В этом случае длительное вдыхание чрезмерно обогащенного кислородом воздуха сопровождается кислородным отравлением – в результате чрезмерного его количества в органах и тканях образуется большое количество свободных радикалов, инициируется процесс самопроизвольного окисления органических веществ, в том числе перекисное окисление липидов.
Станьте первым!