Кислород является одним из самых распространенных элементов на Земле. Он входит в состав воздуха, воды, горных пород и живых организмов. Кислород играет важнейшую роль в процессах дыхания и горения. Рассмотрим подробнее свойства этого удивительного элемента.
Аллотропные модификации
Кислород как химический элемент способен образовывать несколько простых веществ. Это явление называется аллотропией. У кислорода обнаружено две аллотропные модификации - кислород и озон.
Кислород
Наиболее распространенная и стабильная форма существования кислорода как простого вещества. Молекула кислорода состоит из двух атомов (O2). При нормальных условиях это бесцветный газ без запаха и вкуса.
- Температура кипения жидкого кислорода: −183°C
- Температура плавления твердого кислорода: −219°C
- Плотность газообразного кислорода выше, чем у воздуха
- Слабо растворим в воде
Кислород как простое вещество поддерживает горение и дыхание. Например, тлеющая лучина, помещенная в сосуд с кислородом, ярко вспыхивает.
Озон
Молекула озона состоит из трех атомов кислорода (O3). Это газ синего цвета с резким специфическим запахом.
- Температура плавления: −192°C
- Температура кипения: −112°C
- В 7 раз лучше растворим в воде, чем кислород
- Ядовит для человека и животных
Озоновый слой в верхних слоях атмосферы защищает Землю от жесткого ультрафиолетового излучения. В процессе поглощения UV-лучей озон превращается в обычный кислород.
Получение
В лабораторных условиях кислород можно получить разложением таких соединений, как перманганат калия, пероксид водорода или оксид ртути(II):
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2Промышленные методы производства кислорода:
- Разделение жидкого воздуха методом ректификации
- Электролиз воды
Первый способ дает 99,5% чистый кислород, второй - кислород высокой чистоты (до 99,9%).
| Метод получения кислорода | Чистота, % |
| Разделение жидкого воздуха | 99,5 |
| Электролиз воды | 99,9 |
Применение
Благодаря своим уникальным химическим и физическим свойствам, кислород как простое вещество нашел широкое применение в различных областях.
Металлургия
В металлургии кислород используют для интенсификации плавки металлов, увеличения производительности мартеновских печей. Также применяют кислородно-факельную резку и сварку металлов.
Медицина
Медицинский кислород применяют для лечения многих заболеваний, связанных с кислородным голоданием тканей и гипоксией: астма, инфаркт, инсульт и др. Также кислород используют в реанимационных мероприятиях.
Кислород является важнейшим биогенным элементом, обеспечивающим дыхание и жизнедеятельность человека.
Пищевая промышленность
В пищевой промышленности кислород применяют в качестве пищевой добавки E948. Он используется в производстве напитков как пенообразователь.
Биологическая роль
Кислород играет исключительно важную роль в природе и жизни на Земле.
Кислород как простое вещество участвует в дыхании растений, животных и человека. Он необходим для работы легких и сердца. Поступая с воздухом в организм человека, кислород окисляет органические вещества, высвобождая энергию для жизнедеятельности клеток и тканей.
Также кислород поддерживает процессы горения и окисления в природе. Около 20% объема воздуха составляет кислород.
История открытия
Кислород как химический элемент был открыт в конце XVIII века одновременно несколькими учеными.
В 1774 году английский химик Джозеф Пристли получил кислород путем нагревания оксида ртути. Он назвал газ "дефлогистированным воздухом" и не сразу понял, что открыл новый химический элемент.
Примерно в то же время кислород был выделен шведским аптекарем Карлом Шееле. Он назвал газ "огненным воздухом".
Окончательно свойства кислорода как химического элемента были установлены французским химиком Антуаном Лавуазье в 1775-1777 годах. Он дал элементу название oxygène («кислотообразующий»).
Добыча и производство
Для промышленного производства кислорода используют два основных метода - разделение жидкого воздуха и электролиз воды. Доля каждого метода в мировом производстве кислорода примерно одинакова.
В России около 60% кислорода производится методом ректификации жидкого воздуха. Остальные 40% - электролизом воды. Крупнейшие российские производители кислорода - Линде Газ Рус, Праксаир, Аир Liquide.
Транспортировка и хранение
Для транспортировки и хранения кислород используют в сжатом или сжиженном виде. Сжатый кислород перевозят в стальных баллонах под давлением около 15 МПа. Для его сжижения используют детандерные установки.
Жидкий кислород хранят в специальных термоизолированных емкостях Дьюара. Температура кипения жидкого кислорода -183°C. При нормальном давлении из 1 литра жидкого кислорода образуется примерно 860 литров газа.
Примеси
Основные примеси, содержащиеся в техническом кислороде - азот, аргон и водяные пары. Их суммарное количество обычно не превышает 0,5%. В медицинском кислороде концентрация примесей еще ниже.
Наличие посторонних газов может отрицательно сказываться на процессе сварки или резки металлов кислородом. А для медицинского применения нужен особо чистый кислород (не менее 99,5%).
Физические свойства
При нормальном давлении кислород переходит в жидкое состояние при температуре -183°C. Температура кипения жидкого кислорода -183°C.
Твердый кислород представляет собой голубовато-белые кристаллы. Его температура плавления -218,79°C, температура кипения -182,96°C.
Токсическое действие
Длительное вдыхание чистого кислорода при повышенном давлении может оказывать токсическое воздействие на организм человека. Наблюдается головная боль, тошнота, повреждение легких.
Однако при нормальном атмосферном давлении смеси, содержащие до 60% кислорода, можно безопасно вдыхать длительное время.
Кислород в искусстве и культуре
Несмотря на распространенность кислорода в природе, его открытие стало одним из величайших научных достижений человечества. Это открытие положило начало современной химии и глубокому пониманию процессов жизнедеятельности.
Образ кислорода часто фигурирует в произведениях мировой культуры как символ жизни и чистоты. Например, в фильме "Матрица" кислород символизировал выход в реальный мир.
Роль кислорода в загрязнении атмосферы
Хотя кислород не является парниковым газом, он играет определенную роль в химических процессах загрязнения атмосферы. Например, под действием солнечного света кислород вступает в реакции с выбросами транспорта и промышленных предприятий.
Образование озона
Взаимодействие кислорода с оксидами азота на солнечном свету приводит к образованию озона - одного из компонентов смога:
NO 2 + O2 → NO + O3
Повышенная концентрация озона в приземном слое атмосферы отрицательно влияет на здоровье людей и состояние растений.
Кислотные дожди
Кислород также участвует в образовании кислот, вызывающих кислотные дожди. Например, оксиды серы и азота, попадая в атмосферу, окисляются кислородом с образованием соответствующих кислот:
2SO2 + O2 → 2SO3 2NO 2 + O2 → 2NO 3
Эти кислоты затем вымываются из облаков дождем, нанося ущерб экосистемам и материалам.
Круговорот кислорода в биосфере
В биосфере существует круговорот кислорода между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и литосферой.
Основными процессами этого цикла являются:
- Фотосинтез растений, выделяющий кислород
- Дыхание растений, животных и микроорганизмов, поглощающее кислород
- Горение органических веществ в атмосфере и почве с участием кислорода
Благодаря этому круговороту поддерживается относительное постоянство содержания кислорода в воздухе.
Проблема истощения озонового слоя
Хотя общее содержание кислорода в атмосфере практически не меняется, идет процесс истощения его озоновой формы. Это связано с поступлением в атмосферу хлор- и бромсодержащих соединений.
Уменьшение озонового слоя приводит к увеличению ультрафиолетовой радиации на поверхности Земли. Это отрицательно сказывается на человеке, животных и растениях.
Проблемы загрязнения кислородом
Хотя чистый кислород не токсичен, его соединения могут загрязнять атмосферу и гидросферу.
Например, в результате антропогенной деятельности в водоемы попадают избыточное количество нитратов и фосфатов. Это приводит к эвтрофикации - нарушению кислородного баланса в водных экосистемах.
