Оксиген. Кисень, склад його молекул, фізичні властивості

Кисень-хімічна речовина

Кисень або Оксиген ( хімічне позначення (O) ) – хімічний елемент VІ групи головної підгрупи періодичної системи. Відкрили кисень в 1771 році шведський хімік К. В. Шеєле і незалежно від нього в 1774 р. – англійський вчений Дж. Прістлі. Французький хімік А.А. Лавуазьє дав елементу назву і до 1777 р. створив кисневу теорію дихання, горіння і окиснення. У вільному вигляді відомий як молекулярний кисень (O2) та озон (O3).

Історія відкриття

У VIII ст. китайський учений Мао Хоа встановив наявність у повітрі газу, який підтримує дихання і горіння. Однак а Європі кисень відкрили майже через 1000 років. Видатний шведський хімік К.В.Шеєле у 1771 р. встановив, що повітря складається з кисню й азоту. У 1774 р. Дж. Прістлі добув кисень розкладом меркурій (ІІ) оксиду. Усе ж головні особи в історії відкриття кисню не К.В. Шеєле і не Дж. Прістлі. Вони відкрили новий газ - кисень, попри це і до кінця своїх років залишаючись ревними захисниками теорії флогістону, яка тривалий час гальмувала розвиток науки. Особливе значення в історії відкриття кисню мають праці А. Лавуазьє. Він у 1775 р. встановив, що кисень – це складова частина повітря, створив кисневу теорію горіння (за 200 років вона не тільки не була спростована, а й отримала безліч підтверджень своєї правильності), яка прийшла на зміну теорії флогістону. У 1898 р. англійський вчений Томпсон Лорд Кельвін твердив, що людству загрожує задуха, оскільки в повітря виділяється величезна кількість вуглекислого газу не тільки від дихання, а й від промислових підприємств. Це ствердження спростував К.А. Тимірязєв. Він довів, що людству не дадуть загинути зелені рослини.

Загальна інформація

Атомний номер Оксигену - 8; атомна маса - 15,9994. 

Оксиген утворює сполуки з усіма елементами, крім гелію, аргону та неону.

При нормальний умовах кисень - газ, що складається з двоатомних молекул.

 При 90,18 К кисень конденсується в блідо-голубу рідину, при 54,36 К твердне.

Густина рідкого кисню - 1,142; температура плавлення становить -218,7 С, температура кипіння складає -192,98 С.

З деякими металами кисень утворює пероксиди Ме2О2, надпероксиди МеО2, озоніди МеО3, з горючими газами - вибухові суміші.

Елемент оксиген займає 3-є місце після гідрогену і гелію за поширеністю у Всесвіті. Він - найпоширеніший хімічний елемент на Землі - 47% маси земної кори, 85,7% маси гідросфери, 23,15% маси атмосфери, 79% і 65% маси рослин і тварин відповідно. За об'ємом оксиген займає 92% об'єму земної кори. Відомо біля 1400 мінералів, які містять оксиген, головні з них - кварц, польові шпати, слюда, глинисті мінерали, карбонати. Понад 99,9% оксигену Землі знаходиться у зв'язаному стані. Оксиген - головний чинник, який регулює розподіл елементів у планетарному масштабі. Вміст його з глибиною закономірно меншає. Кількість оксигену в магматичних породах змінюється від 49% в кислих ефузивах і гранітах до 38-42% в дунітах і кімберлітах. Вміст оксигену в метаморфічних породах відповідає глибині їхнього формування: від 44% в еклогітах до 48% в кристалічних сланцях. Максимум оксигену - в осадових породах - 49-51%. Виключну роль в геохімічних процесах відіграє вільний оксиген - молекулярний кисень, значення якого визначається його високою хімічною активністю, великою міграційною здатністю і постійним, відносно високим вмістом у біосфері, де він не тільки витрачається, але й відтворюється. Вважають, що вільний кисень з'явився у протерозої внаслідок фотосинтезу.

У гіпергенних процесах оксиген - один з основних агентів, він окиснює сірководень і нижчі оксиди. Оксиген визначає поведінку багатьох елементів: підвищує міграційну здатність халькофілів, окиснюючи сульфіди до рухливих сульфатів, знижує рухливість феруму і мангану, осаджуючи їх у вигляді гідроксидів і зумовлюючи цим їх розділення. У водах океану вміст оксигену змінюється: літом океан віддає оксиген в атмосферу, взимку поглинає його. Полярні регіони збагачені киснем. Важливе геохімічне значення мають сполуки оксигену, зокрема вода.

Основний промисловий метод отримання кисню - розділення повітря методом глибокого охолодження. Як побічний продукт кисень отримують при електролізі води. Розроблений спосіб отримання кисню методом вибіркової дифузії газів через молекулярні сита. Газ кисень застосовується в металургії для інтенсифікації доменних і сталеплавильних процесів, при виплавці кольорових металів у шахтних печах, бесемеруванні штейнів та ін. (понад 60% споживаного кисню); як окисник у багатьох хімічних виробництвах; в техніці - при зварюванні і різанні металів; при підземній газифікації вугілля тощо; озон - при стерилізації питної води і дезинфекції приміщень. Рідкий кисень використовують як окисник для деяких різновидів ракетних палив.

Фізичні властивості

Кисень — безбарвний газ без запаху і смаку. 

При температурі —183° С він скраплюється у рідину голубуватого кольору, яка при —218,7° С замерзає в синю кристалічну масу.

 Розчинність кисню у воді невелика і при звичайній температурі становить всього 3,1 мл в 100 г води. 

У продаж кисень поступає в стальних балонах під тиском приблизно 150 атм.

Хімічні властивості

Кисень належить до головної підгрупи шостої групи періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. Його порядковий номер 8.

Молекула кисню складається з двох атомів. Хімічний зв'язок ковалентний неполярний. Спрощена структурна формула: O = O. Основний стан молекули кисню триплетний, тобто молекула кисню - дирадикал. Два електрони утворюють ковалентний зв'язок, два інші - антизв'язану пару. Цим пояснюється те, що молекулярний кисень парамагнетик.

Маючи у зовнішній електронній оболонці шість електронів, атоми кисню енергійно приєднують від атомів інших елементів два електрони, яких їм бракує для завершення валентної оболонки, і перетворюються в негативні двовалентні іони:

O + 2e = O2-

При цьому кисень проявляє свої окиснювальні властивості. Серед усіх хімічних елементів він є одним з найсильніших окисників і поступається в цьому тільки перед фтором. Кисень безпосередньо сполучається з усіма елементами, за винятком інертних елементів, галогенів і благородних металів. Хімічна активність кисню зростає з підвищенням температури.

Кисень добре розчинний в органічних розчинниках, поглинається тонкими порошками металів, вугілля. Утворює сполуки з усіма елементами, крім гелію, аргону і неону. На основі типів і властивостей кисневих сполук побудована класифікація неорганічних сполук. З металами й неметалами кисень утворює оксиди сполук, з лужними металами, крім літію, – пероксиди. Взаємодія речовин з киснем значно прискорюється при нагрівальній дії електричних розрядів, під тиском, при наявності каталізаторів, особливо води. В суміші з горючими газами й парою, з тонкими порошками багатьох металів й органічних речовин кисень–газ утворює вибухові суміші.

 Поняття про оксиди, окиснення, горіння. Умови виникнення й припинення горіння.

Окиснення (рос. окисление (оксигенирование), англ. oxygenation; нім. Oxygenation f) — хімічний процес, під час якого елемент (або сполука) втрачає електрони, при цьому ступінь окиснення її елементів підвищується. Назва пов'язана з киснем, оскільки взаємодія субстанцій з киснем, озоном, пероксидами та іншими окисниками з утворенням кисневих сполук належить до найпоширеніших (і перших вивчених) процесів окиснення.

Опис

Окиснення: Речовина A як відновник віддає один електрон. 

Відновлення: Речовина В як окисник приймає електрон. 

Окиснювально-відновна реакція: Речовина А віддає електрон речовині В. 

При окисненні речовини в результаті віддачі електронів збільшується її ступінь окиснення. Атоми окисника називаються акцепторами електронів на противагу атомам відновника, що втрачають електрони і тому називаються донорами. В деяких випадках, молекула вихідної сполуки може стати настабільною та розпастися на стабільніші та дрібніші складові. При цьому деякі з атомів мають більш високу ступінь окиснення, ніж тіж самі атоми в вихідній молекулі.

Окисник, коли приймає електрони, набуває відновних властивостей та перетворюється в спряжений відновник. Окиснення, зокрема - це реакції сполучення кисню з простими і складними речовинами. Ці реакції відбуваються з різними швидкостями. Якщо реакції окиснення проходять швидко і супроводжуються виділенням значної кількості тепла і світла (полум'я), їх називають реакціями горіння, або просто горінням. Повільно відбуваються тління, гниття і дихання. Внаслідок О., наприклад, вугілля відбувається зниження відносного вмісту водню та вуглецю при збільшенні вмісту кисню. Одночасно знижується питома теплота згоряння, підвищується вологість, зольність, вихід летких речовин, знижується, а іноді й повністю втрачається коксівна здатність. Окисник – реактант, за допомогою якого вводиться кисень в субстрат (тобто останній окиснюється).

Горіння

В атмосфері повітря (і в чистому кисні) можуть горіти різні речовини: більшість металів, сірка, сірководень H2S, монооксид вуглецю CO, пірит FeS2 і величезна кількість органічних речовин. Однак найбільше практичне значення як горючі речовини (паливо) мають: природний газ, нафта, вугілля, торф тощо. Ці речовини складаються головним чином з вуглецю і водню, а також містять у незначних кількостях сірку, азот та інші елементи.

Кінцевими продуктами горіння (окиснення) простих речовин є їх оксиди, а повного згоряння звичайного палива — CO2, H2O, SO2 і N2. Для повного згоряння завжди потрібний певний надлишок кисню (повітря). При неповному спалюванні (при нестачі кисню) можуть утворюватися CO, S тощо. 

Наприклад:

2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O (повне згоряння); 

2H2S + O2 = 2S + 2H2O (неповне згоряння). 

У чистому кисні горіння відбувається набагато енергійніше, ніж в атмосфері повітря. Так, якщо тліючу лучинку внести в чистий кисень, вона спалахує і горить яскравим полум'ям. Запалена сірка на повітрі горить ледве помітним голубуватим полум'ям, а в атмосфері кисню інтенсивно згоряє яскравим полум'ям:

S + O2 = SO2

Розжарена залізна дротина на повітрі не горить, а в кисні згоряє з тріском, розкидаючи іскри:

3Fe + 2O2 = Fe3O4

При горінні однакової кількості речовини в чистому кисні і в повітрі виділяється однакова кількість тепла. Але горіння в кисні відбувається скоріше і за одиницю часу тепла виділяється більше. Крім того, при горінні, в кисні тепло не витрачається на нагрівання азоту. Тому температура горіння в чистому кисні значно вища, ніж температура горіння в повітрі.

Процеси горіння (з виділенням тепла і світла) можуть відбуватися не тільки в атмосфері кисню (повітря), а і в атмосфері деяких інших газів. Наприклад, розжарена залізна дротина горить в атмосфері хлору, а мідна фольга — в парах сірки:

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

2Cu + S = Cu2S

При цьому хлор і сірка є окисниками. Проте для процесів горіння палива практичне значення як окисник має тільки кисень.

Повільне окиснення

Не всі процеси окиснення з участю кисню є процесами горіння. Багато з них відбувається повільно вже при звичайній температурі. До таких процесів належать, зокрема, явища тління, гниття і дихання.

Процеси тління і гниття мають надзвичайно велике гігієнічно-санітарне значення, оскільки при цьому всі залишки рослинних і тваринних організмів перетворюються в неорганічні сполуки, головним чином у CO2, H2O і N2.

Під час повільного окиснення органічних речовин виділяється така сама кількість тепла, як і при їх горінні. Однак внаслідок повільного процесу невеликі кількості тепла, що виділяються, встигають розсіятися в оточуючому середовищі, і тому гниюча речовина не нагрівається. Але коли відвід тепла затруднений (наприклад, у великих купах), тоді вона нагрівається. Цим, зокрема, пояснюється розігрівання вологого сіна в копицях, сирого зерна тощо. На цьому основується також застосування гною для нагрівання ґрунту в парниках.

Повільне окиснення горючих речовин при поганому відводі тепла може призвести навіть до їх самозаймання. Так, самозайматися може вугілля, складене у великі купи, забруднені мінеральним маслом ганчірки, що довго лежать купою, тощо.

Дихання

Повільне окиснення лежить в основі і такого важливого життєвого процесу, як дихання. При диханні кисень повітря в легенях сполучається з гемоглобіном крові, утворюючи оксигемоглобін, який надає артеріальній крові яскраво-червоного забарвлення і розноситься по всьому організму. Там оксигемоглобін розкладається і кисень, що виділяється, окиснює поживні речовини організму, утворюючи CO2, H2O та інші продукти. Діоксид вуглецю розчиняється в крові і виноситься нею по венах в легені, де видихається. Позбавлена оксигемоглобіну венозна кров має темно-червоний колір. При повільному окисненні поживних речовин організму виділяється тепло, яке й забезпечує нормальну життєдіяльність і температуру організму.

Поширеність та колообіг Оксигену в природі. Застосуван­ня кисню, його біо­логічна роль.

Поширення в природі

Оксиген, найпоширеніший на Землі елемент, вміст його становить 47% за масою (здебільшого у формі оксидів), у повітрі (тропосфері) кисню (O2) – 20,93% за об'ємом, або 23% за масою. До складу води входить 88,8 м.% кисню, в морській воді – 85,7 м.%. Він входить до складу більшості гірських порід, ґрунтів, а також клітин усіх рослинних і, тваринних організмів. Оксиген в цілому становить 30-85% маси тваринних і рослинних тканин. Він входить до складу білків, нуклеїнових кислот, жирів, вуглеводів тощо. Вільний кисень відіграє велику роль в біохімічних і фізіологічних процесах, зокрема в диханні. При недостатньому постачанні організму тварин і людини киснем розвивається гіпоксія. Зелені рослини і деякі бактерії є джерелом вільного кисню на Землі.

Отримання

У лабораторіях кисень звичайно одержують термічним розкладанням деяких пероксидів, солей, деяких кисневих кислот (наприклад, KMnO4, бертолетової солі - KClO3):

2KClO3 = 2KCl + 3O2 ;

При 368 °С ця сіль плавиться, а близько 400°С починає розкладатися. В присутності двокису марганцю MnO2 (каталізатор) температура розкладу знижується і реакція проходить легше.

У промисловості кисень добувають фракціонованою перегонкою рідкого повітря і електролізом води. З цією метою повітря спочатку скраплюють сильним охолодженням під великим тиском, а потім повільно випаровують з нього азот. Дуже чистий кисень добувають електролізом водного розчину гідроксиду натрію NaOH з застосуванням нікелевих електродів. При цьому на катоді відновлюються катіони гідрогену, а на аноді окислюються гідроксильні аніони з виділенням кисню.Електродні реакції можна позначити такими рівняннями:

Катод: 4H + 4e = 2Н2 ;

Анод: 4ОН- — 4e = 2H2O + O2 ;

Електролітичним способом кисень одержують і для промислових потреб, зокрема там, де є дешева електрична енергія.

Застосування

Кисень повітря має надзвичайно важливе значення для процесів горіння. Спалюючи різні види палива, одержують тепло, яке використовують для задоволення найрізноманітніших потреб, в тому числі для перетворення його в механічну і електричну енергію.

Чистий кисень з ацетиленом широко використовують для так званого автогенного зварювання стальних труб та інших залізних конструкцій і їх різання. Для цього служить спеціальний пальник, який складається з двох металічних трубок, вставлених одна в одну. В простір між трубками пропускають ацетилен і запалюють, а потім по внутрішній трубці пропускають кисень. Обидва гази, подаються з балонів під тиском. Температура у киснево-ацетиленовому полум'ї — до 2000 °С, при такій температурі плавиться більшість металів.

У медицині чистий кисень застосовують для дихання при отруєннях чадним газом і деяких захворюваннях легенів. Один вдих чистого кисню заміняє п'ять вдихів повітря. Чистим киснем користуються для дихання також льотчики при високих польотах, водолази, на підводних човнах тощо.

Кисень широко застосовується для інтенсифікації хімічних та металургійних процесів. Чистий кисень використовують, зокрема при виробництві сульфатної і нітратної кислот, синтетичного метилового спирту CH3OH та інших хімічних продуктів. При вдуванні в доменну піч збагаченого киснем повітря значно підвищується температура печі, прискорюється процес виплавки чавуну, збільшується продуктивність домни і економиться кокс.

Зріджений кисень застосовують як окисник в реактивних двигунах, а також для виготовлення вибухових сумішей — так званих оксиліквітів. Це суміші деревної тирси, сухого торфу, порошку вугілля та інших горючих речовин, спресованих у спеціальних патронах і просочених перед вживанням рідким киснем. При запаленні такої суміші електричною іскрою вона вибухає з великою силою. Оксиліквіти застосовують при розробці рудних покладів підривним способом, при прокладці тунелів у горах, ритті каналів тощо.

Цікавинки про кисень

Кисень повітря, від якого залежить життя людини, вперше з`явився в атмосфері Землі завдяки діяльності фотосинтезуючих бактерій.

Він — один з найбільш хімічно активних елементів. Ось чому кисень у земній корі зазвичай перебуває у зв’язному вигляді у складі інших хімічних сполук.

При температурі -182,926 °C кисень конденсується на блідо-голубу рідину. При -218,4°C він замерзає.

Більшість живих організмів залежить від кисню. Маючи високу хімічну активність, він здатний окислювати («забирати» електрони) у багатьох хімічних речовин. Ці реакції відбуваються з виділенням енергії необхідної для підтримання всіх життєвих процесів організму. Процес окиснення органічних речовин киснем відбувається в мітохондріях життєвих клітин і називається клітинним диханням.

Лавуазьє відкрив, що вода — сполука водню і кисню.

Озон (молекули якого містять 3 атоми оксигену) становить 0.00006% повітря. Він утворюється при дисоціації (розпаді) двоатомних молекул кисню під дією ультрафіолетових променів сонячного спектра.