Главная » Статьи » ПСЭ » Кислород

Статьи

Кислород

Кислород
Атомный номер8
Внешний вид простого веществагаз без цвета, вкуса и запаха
голубоватая жидкость
(при низких температурах)
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
15,9994 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома60 (48) пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
1313,1 (13,61) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация[He] 2s2 2p4
Химические свойства
Ковалентный радиус73 пм
Радиус иона132 (-2e) пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
3,44
Электродный потенциал0
Степени окисления-2, −1, 0 ,+1, +2, -½
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность0,00142897 г/см³
Молярная теплоёмкость29,4 Дж/(K·моль)
Теплопроводность0,027 Вт/(м·K)
Температура плавления54,8 K
Теплота плавления0,444 кДж/моль
Температура кипения90,19 K
Теплота испарения3,4099 кДж/моль кДж/моль
Молярный объём14,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решёткимоноклинная
Параметры решёткиa=5,403 b=3,429 c=5,086 β=135,53 Å
Отношение c/a
Температура Дебая155 K
O8
15,9994
[He]2s22p4
Кислород

Кислородэлемент главной подгруппы шестой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 8. Обозначается символом O (Oxygenium). Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород (CAS-номер: 7782-44-7) при нормальных условиях — газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет.

Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон (CAS-номер: 10028-15-6) — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3).

История открытия

Схема атома кислорода

Официально считается, что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли первого августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).

2HgO (t) → 2Hg + O2

Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.

Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Петра Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.

Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория. Лавуазье провел опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожженных элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.

Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.

Происхождение названия

Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькой термина «оксиген» (l'oxygène), предложенного А. Лавуазье (греческое όξύγενναω от ὀξύς — «кислый» и γενναω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим окислы, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.

Нахождение в природе

Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 47,4 % массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 %(по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,12 % по массе. Более 1500 соединений земной коры в своем составе содержат кислород.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %.

Получение

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа. Важнейшим лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов щелочей. Небольшие количества кислорода можно также получать взаимодействием раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида водорода. Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной и азотной технологий. При нагревании перманганат калия KMnO4 разлагается до манганата калия K2MnO4 и диоксида марганца MnO2 с одновременным выделением газообразного кислорода O2:

2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2

В лабораторных условиях получают также каталитическим разложением пероксида водорода Н2О2:

2О2 → 2Н2О + О2

Катализатором является диоксид марганца (MnO2) или кусочек сырых овощей (в них содержатся ферменты, ускоряющие разложение пероксида водорода).

Кислород можно также получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO3:

2KClO3 → 2KCl + 3O2

Катализатором также выступает MnO2.

Физические свойства

Холодная вода содержит больше растворенного O2

При нормальных условиях кислород это газ без цвета, вкуса и запаха. 1л его весит 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100г при 0 °C, 2,09 мл/100г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при 961 °C). Является парамагнетиком.

При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000 °C — 0,03 %, при 2600 °C — 1 %, 4000 °C — 59 %, 6000 °C — 99,5 %.

Жидкий кислород (темп. кипения −182,98 °C) это бледно-голубая жидкость.

Фазовая диаграмма O2

Твердый кислород (темп. плавления −218,79 °C) — синие кристаллы. Известны шесть кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:

α-О2 — существует при температуре ниже 23,65 К; ярко-синие кристаллы относятся к моноклинной сингонии, параметры ячейки a=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53° .
β-О2 — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 К; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å, α=46,25°.
γ-О2 — существует при температурах от 43,65 до 54,21 К; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решётки a=6,83 Å .

Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:
δ-О2 интервал температур до 300 К и давление 6-10 ГПа, оранжевые кристаллы;
ε-О2 давление от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от темно красного до чёрного, моноклинная сингония;
ζ-О2 давление более 96 ГПа, металлическое состояние с характерным металлическим блеском, при низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние.

Химические свойства

Сильный окислитель, взаимодействует, практически, со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры. Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:
4K + O2 → 2K2O
2Sr + O2 → 2SrO

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:
2NO + O2 → 2NO2

Окисляет большинство органических соединений:
CH3CH2OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

При определенных условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:
CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O

Кислород не окисляет Au и Pt, галогены и инертные газы.

Кислород образует пероксиды со степенью окисления −1.
— Например, пероксиды получаются при сгорании щелочных металлов в кислороде:
2Na + O2 → Na2O2

— Некоторые окислы поглощают кислород:
2BaO + O2 → 2BaO2

— По принципам горения, разработанным А. Н. Бахом и К. О. Энглером, окисление происходит в две стадии с образованием промежуточного пероксидного соединения. Это промежуточное соединение можно выделить, например, при охлаждении пламени горящего водорода льдом, наряду с водой, образуется перекись водорода:
H2 + O2 → H2O2

Надпероксиды имеют степень окисления −1/2, то есть один электрон на два атома кислорода (ион O2 -). Получают взаимодействием пероксидов с кислородом при повышенных давлениям и температуре:
Na2O2 + O2 → 2NaO2

Озониды содержат ион O3 - со степенью окисления −1/3. Получают действием озона на гидроксиды щелочных металлов:
КОН(тв.) + О3 → КО3 + КОН + O2

Ион диоксигенил O2+ имеет степень окисления +1/2. Получают по реакции:
PtF6 + O2 → O2PtF6

Фториды кислорода
Дифторид кислорода, OF2 степень окисления +2, получают пропусканием фтора через раствор щелочи:
2F2 + 2NaOH → OF2 + 2NaF + H2O

Монофторид кислорода (Диоксидифторид), O2F2, нестабилен, степень окисления +1. Получают из смеси фтора с кислородом в тлеющем разряде при температуре −196 °C.

Пропуская тлеющий разряд через смесь фтора с кислородом при определенных давлении и температуре получаются смеси высших фторидов кислорода O3F2, О4F2, О5F2 и О6F2.
Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения. В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях:O2 и O3 (озон).

Применение кислорода

Широкое промышленное применение кислорода началось в середине XX века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.

В металлургии

Конвертерный способ производства стали связан с применением кислорода.

Сварка и резка металлов

Кислород в баллонах широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.

Ракетное топливо

В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород-фтор и водород-фторид кислорода).

В медицине

Кислород используется для обогащения дыхательных газовых смесей при нарушении дыхания, для лечения астмы, в виде кислородных коктейлей, кислородных подушек и т. д.

В пищевой промышленности

В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E948, как пропеллент и упаковочный газ.

Биологическая роль кислорода

Живые существа дышат кислородом воздуха. Широко используется кислород в медицине. При сердечно-сосудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном. Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.

Токсические производные кислорода

Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие как синглетный кислород, перекись водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются высокотоксичными продуктами. Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), перекись водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.

Изотопы кислорода

Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16О, 17О и 18О, 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 легкого из них 16О связано с тем, что ядро атома 16О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра, как следует из теории строения атомного ядра, обладают особой устойчивостью.

Имеются радиоактивные изотопы 11О, 13О, 14О (период полураспада 74 сек), 15О (Т1/2=2,1 мин), 19О (Т1/2=29,4 сек), 20О (противоречивые данные по периоду полураспада от 10 мин до 150 лет).

Дополнительная информация

Соединения кислорода
Жидкий кислород
Озон

Кислород, Oxygenium, O (8)
Открытие кислорода (Oxygen, франц. Oxygene, нем. Sauerstoff) ознаменовало начало современного периода развития химии. С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух, однако многие века процесс горения оставался непонятным. Лишь в XVII в. Майов и Бойль независимо друг от друга высказали мысль, что в воздухе содержится некоторая субстанция, которая поддерживает горение, но эта вполне рациональная гипотеза не получила тогда развития, так как представление о горении, как о процессе соединения горящего тела с некой составной частью воздуха, казалось в то время противоречащим столь очевидному акту, как то, что при горении имеет место разложение горящего тела на элементарные составные части. Именно на этой основе на рубеже XVII в. возникла теория флогистона, созданная Бехером и Шталем. С наступлением химико-аналитического периода развития химии (вторая половина XVIII в.) и возникновением «пневматической химии» — одной из главных ветвей химико-аналитического направления — горение, а также дыхание вновь привлекли к себе внимание исследователей. Открытие различных газов и установление их важной роли в химических процессах явилось одним из главных стимулов для систематических исследований процессов горения веществ, предпринятых Лавуазье. Кислород был открыт в начале 70-х годов XVIII в.

Первое сообщение об этом открытии было сделано Пристлеем на заседании Английского королевского общества в 1775 г. Пристлей, нагревая красную окись ртути большим зажигательным стеклом, получил газ, в котором свеча горела более ярко, чем в обычном воздухе, а тлеющая лучина вспыхивала. Пристлей определил некоторые свойства нового газа и назвал его дефлогистированным воздухом (daphlogisticated air). Однако двумя годами ранее Пристлея (1772) Шееле тоже получал кислород разложением окиси ртути и другими способами. Шееле назвал этот газ огненным воздухом (Feuerluft). Сообщение же о своем открытии Шееле смог сделать лишь в 1777 г. Между тем в 1775 г. Лавуазье выступил перед Парижской академией наук с сообщением, что ему удалось получить «наиболее чистую часть воздуха, который нас окружает», и описал свойства этой части воздуха. Вначале Лавуазье называл этот «воздух» эмпирейным, жизненным (Air empireal, Air vital) основанием жизненного воздуха (Base де l'air vital). Почти одновременное открытие кислорода несколькими учеными в разных странах вызвало споры о приоритете. Особенно настойчиво признания себя первооткрывателем добивался Пристлей. По существу споры эти не окончились до сих пор. Подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения и образования окислов привело Лавуазье к неправильному выводу о том, что этот газ представляет собой кислотообразующее начало. В 1779 г. Лавуазье в соответствии с этим выводом ввел для кислорода новое название — кислото образующий принцип (principe acidifiant ou principe oxygine). Фигурирующее в этом сложном названии слово oxygine Лавуазье произвел от греч.- кислота и «я произвожу».

Периодическая система химических элементов Менделеева:

Периодическая система элементов

IA

IIA

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

----

VIIIB

----

IB

IIB

IIIA

IVA

VA

VIA

VIIA

VIIIA

Период                  
11

H
Водород

                2

He
Гелий

23

Li
Литий

4

Be
Бериллий

          5

B
Бор

6

C
Углерод

7

N
Азот

8

O
Кислород

9

F
Фтор

10

Ne
Неон

311

Na
Натрий

12

Mg
Магний

          13

Al
Алюминий

14

Si
Кремний

15

P
Фосфор

16

S
Сера

17

Cl
Хлор

18

Ar
Аргон

419

K
Калий

20

Ca
Кальций

21

Sc
Скандий

22

Ti
Титан

23

V
Ванадий

24

Cr
Хром

25

Mn
Марганец

26

Fe
Железо

27

Co
Кобальт

28

Ni
Никель

29

Cu
Медь

30

Zn
Цинк

31

Ga
Галлий

32

Ge
Германий

33

As
Мышьяк

34

Se
Селен

35

Br
Бром

36

Kr
Криптон

537

Rb
Рубидий

38

Sr
Стронций

39

Y
Иттрий

40

Zr
Цирконий

41

Nb
Ниобий

42

Mo
Молибден

(43)

Tc
Технеций

44

Ru
Рутений

45

Rh
Родий

46

Pd
Палладий

47

Ag
Серебро

48

Cd
Кадмий

49

In
Индий

50

Sn
Олово

51

Sb
Сурьма

52

Te
Теллур

53

I
Иод

54

Xe
Ксенон

655

Cs
Цезий

56

Ba
Барий

*72

Hf
Гафний

73

Ta
Тантал

74

W
Вольфрам

75

Re
Рений

76

Os
Осмий

77

Ir
Иридий

78

Pt
Платина

79

Au
Золото

80

Hg
Ртуть

81

Tl
Таллий

82

Pb
Свинец

83

Bi
Висмут

(84)

Po
Полоний

(85)

At
Астат

86

Rn
Радон

787

Fr
Франций

88

Ra
Радий

**(104)

Rf
Резерфордий

(105)

Db
Дубний

(106)

Sg
Сиборгий

(107)

Bh
Борий

(108)

Hs
Хассий

(109)

Mt
Мейтнерий

(110)

Ds
Дармштадтий

(111)

Rg
Рентгений

(112)

Cp
Коперниций

(113)

Uut
Унунтрий

(114)

Uuq
Унунквадий

(115)

Uup
Унунпентий

(116)

Uuh
Унунгексий

(117)

Uus
Унунсептий

(118)

Uuo
Унуноктий

8(119)

Uue
Унуненний

(120)

Ubn
Унбинилий

                
Лантаноиды *57

La
Лантан

58

Ce
Церий

59

Pr
Празеодим

60

Nd
Неодим

(61)

Pm
Прометий

62

Sm
Самарий

63

Eu
Европий

64

Gd
Гадолиний

65

Tb
Тербий

66

Dy
Диспрозий

67

Ho
Гольмй

68

Er
Эрбий

69

Tm
Тулий

70

Yb
Иттербий

71

Lu
Лютеций

 
Актиноиды **89

Ac
Актиний

90

Th
Торий

91

Pa
Протактиний

92

U
Уран

(93)

Np
Нептуний

(94)

Pu
Плутоний

(95)

Am
Америций

(96)

Cm
Кюрий

(97)

Bk
Берклий

(98)

Cf
Калифорний

(99)

Es
Эйнштейний

(100)

Fm
Фермий

(101)

Md
Менделевий

(102)

No
Нобелей

(103)

Lr
Лоуренсий


Химические семейства элементов периодической таблицы
Щелочные металлыЩёлочноземельные металлыЛантаноидыАктиноидыПереходные металлы
Лёгкие металлыПолуметаллыНеметаллыГалогеныИнертные газы
 

+7 (812)

Телефоны отделов продаж:

337-18-93 - отдел моющих средств и хозтоваров-многоканальный.
337-18-94 - отдел ветзоотехники и агрохимии
337-18-95 - отдел лабораторной посуды
337-18-96 - отдел химии и спецодежды
337-18-97 - отдел лабораторного оборудования и приборов

Адреса электронной почты:

him_spb@mail.ru
himsnab.53@list.ru

Адрес:

198095, г. Санкт-Петербург, ул. Швецова, дом 23 (Здание ТЭМП)

© 2009 — «ХИМСНАБ»
Все права защищены

Отказ от ответственности



Создание сайта — «Consepto»
Продвижение сайта — «1 Место»