Кислородная катастрофа, или кислородная революция в истории земли

Круговорот воды

Воды на Земле много — 1,5 млрд км3, но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды — 29 млн км3 (75%) — находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км3 — в атмосфере, 1 млн км3 — в живых организмах. Лишь всего 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км3, представляют объем ежегодно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км3)

1. испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца;

2. перенос паров воды с воздушными массами;

3. выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега;

4. поглощение воды растениями и почвой,

5. сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Земле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды — основы жизни, но и тепла, поглощающегося при испарении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах

Здесь различают 4 фазы:

1. перехват, т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы;

2. эвапотранспирация: (лат. evaporatio — испарение, transpirere — испарение растениями) — отдача воды экосистемой в атмосферу за счет ее биологического испарения растениями и испарения с поверхности почвы;

3. инфильтрация — просачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение;

4. сток — потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации — это сумма биологической тран-спирации воды растениями и испарения ее с поверхности почвы. В Европе она оценивается как 3-7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук — 100 л, липа — 200 л, 1 га леса — 50000 л.

Коэффициент транспирации — количество воды, транспирируемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 т воды.

Химические свойства

Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона. Наиболее распространенная степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:

4Li+O2→2Li2O{\displaystyle {\mathsf {4Li+O_{2}\rightarrow 2Li_{2}O}}}

2Sr+O2→2SrO{\displaystyle {\mathsf {2Sr+O_{2}\rightarrow 2SrO}}}

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:

2NO+O2→2NO2↑{\displaystyle {\mathsf {2NO+O_{2}\rightarrow 2NO_{2}\uparrow }}}

Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения:

2C6H6+15O2→12CO2+6H2O{\displaystyle {\mathsf {2C_{6}H_{6}+15O_{2}\rightarrow 12CO_{2}+6H_{2}O}}}

CH3CH2OH+3O2→2CO2+3H2O{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}CH_{2}OH+3O_{2}\rightarrow 2CO_{2}+3H_{2}O}}}

При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:

CH3CH2OH+O2→CH3COOH+H2O{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}CH_{2}OH+O_{2}\rightarrow CH_{3}COOH+H_{2}O}}}

Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором (см. ниже ).

Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.

Например, пероксиды получаются при сгорании щелочных металлов в кислороде:

2Na+O2→Na2O2{\displaystyle {\mathsf {2Na+O_{2}\rightarrow Na_{2}O_{2}}}}

Некоторые оксиды поглощают кислород:

2BaO+O2→2BaO2{\displaystyle {\mathsf {2BaO+O_{2}\rightarrow 2BaO_{2}}}}

По теории горения, разработанной 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 пероксид водорода:

H2+O2→H2O2{\displaystyle {\mathsf {H_{2}+O_{2}\rightarrow H_{2}O_{2}}}}

В надпероксидах кислород формально имеет степень окисления −½, то есть один электрон на два атома кислорода (ион O−2). Получают взаимодействием пероксидов с кислородом при повышенных давлении и температуре:

Na2O2+O2→2NaO2{\displaystyle {\mathsf {Na_{2}O_{2}+O_{2}\rightarrow 2NaO_{2}}}}

Калий K, рубидий Rb и цезий Cs реагируют с кислородом с образованием надпероксидов:

K+O2→KO2{\displaystyle {\mathsf {K+O_{2}\rightarrow KO_{2}}}}

Неорганические озониды содержат ион O−3 со степенью окисления кислорода, формально равной −1/3. Получают действием озона на гидроксиды щелочных металлов:

3KOH+3O3→2KO3+KOH∗H2O+2O2↑{\displaystyle {\mathsf {3KOH+3O_{3}\rightarrow 2KO_{3}+KOH*H_{2}O+2O_{2}\uparrow }}}

В ионе диоксигенила O2+ кислород имеет формально степень окисления +½. Получают по реакции:

PtF6+O2→O2PtF6{\displaystyle {\mathsf {PtF_{6}+O_{2}\rightarrow O_{2}PtF_{6}}}}

В этой реакции, кислород проявляет восстановительные свойства.

Фториды кислорода

Дифторид кислорода, OF2 степень окисления кислорода +2, получают пропусканием фтора через разбавленный раствор щелочи:

2F2+2NaOH→2NaF+H2O+OF2↑{\displaystyle {\mathsf {2F_{2}+2NaOH\rightarrow 2NaF+H_{2}O+OF_{2}\uparrow }}}

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

F2+O2→O2F2{\displaystyle {\mathsf {F_{2}+O_{2}\rightarrow O_{2}F_{2}}}}

Пропуская тлеющий разряд через смесь фтора с кислородом при определённых давлении и температуре, получают смеси высших фторидов кислорода O3F2, O4F2, O5F2 и O6F2.

Квантовомеханические расчёты предсказывают устойчивое существование иона трифторгидроксония (англ.) OF3+. Если этот ион действительно существует, то степень окисления кислорода в нём будет равна +4.

Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.

В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O₂ и O₃ (озон). Как установили в 1899 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, под воздействием ионизирующего излучения O₂ переходит в O₃.

Применение кислорода

Помимо того, что все живые существам в природе, за исключением немногих микроорганизмов, при дыхании потребляют кислород, он широко применяется во многих отраслях промышленности: металлургической, химической, машиностроении, авиации, ракетостроении и даже в медицине.

В химической промышленности его применяет:

• при получении ацетилена из природного газа (метана);
• при производстве кислот (азотной, серной);
• для газификации твердого топлива;
• для производства аммиака, формальдегида и метанола.

В металлургии его используют:

• при получении цветных металлов из руд;
• при выплавке чугуна в доменных печах;
• при выплавке стали в мартеновских и электрических печах;
• кислородно-конверторной выплавке стали.

В медицинских целях больным, у которых нарушена нормальная деятельность органов дыхания или кровообращения, искусственно увеличивают содержание O₂ в воздухе или дают дышать непродолжительное время чистым O₂. Медицинский кислород, выпускаемый ГОСТ 5583, особенно тщательно очищают от всех примесей.

Применение кислорода в сварке

Сам по себе O₂ является негорючим газом, но из-за свойства активно поддерживать горение и увеличения интенсивности (интенсификации) горения газов и жидкого топлива его используют в ракетных энергетических установках и во всех процессах газопламенной обработки. В таких процессах газопламенной обработки, как газовая сварка, поверхностная закалка высокая температура пламени достигается путем сжигания горючих газов в O₂, а при газовой резке благодаря ему происходит окисление и сгорание разрезаемого металла.

При полуавтоматической сварке (MIG/MAG) кислород O₂ используют как компонент защитных газовых смесей с аргоном (Ar) или углекислым газом (CO₂).

Кислород добавляют в аргон при полуавтоматической сварке легированных сталей для обеспечения устойчивости горения дуги и струйного переноса расплавленного металла в сварочную ванну. Дело в том, что как поверхностно активный элемент он уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла, способствуя образованию на конце электрода более мелких капель.

При сварке низколегированных и низкоуглеродистых сталей полуавтоматом O₂ добавляют в углекислый газ для обеспечения глубокого проплавления и хорошего формирования сварного шва, а также для уменьшения разбрызгивания.

Чаще всего кислород используют в газообразном виде, а в виде жидкости используют только при его хранении и транспортировке от завода-изготовителя до потребителей.

Окись водорода: жизненная сила иммунной системы

Надлежащее функционирование иммунной системы зависит также от другого элемента кислородной головоломки — оксид водорода (H₂O₂). Оксид водорода является ключевым компонентом молозива, богатого антителами секреции в грудном молоке, и является первой линией защиты от инфекций. Доктор Чарльз Х. Фарр, признанный отцом кислородной медицины, был убежденным сторонником терапии оксидом водорода и утверждал, что инъекции внутривенно оказывают положительный метаболический эффект. Идея заключается в том, что, как и озон, оксид водорода обладает уникальной способностью окислять практически все физиологические или патогенные вещества и поддерживать обновление организма и кислородное насыщение в клетках. Он писал, что оксид водорода «вырабатывается всеми клетками организма по разным физиологическим причинам».

Он также писал, что «он участвует во многих метаболических путях, использующих оксидазы, а оксид водорода участвует в метаболизме белков, углеводов, жиров, витаминов и минералов и в функционировании иммунной системы, а также в любой другой системе, которую мы могли бы исследовать». Он даже назвал оксид водорода «главной регулирующей молекулой» организма. Оксид водорода увеличивает скорость метаболизма, расширяет мелкие кровеносные сосуды и улучшает кровообращение, выводит из организма токсины, повышает температуру тела, улучшает распределение и потребление кислорода, а также стимулирует выработку лейкоцитов, используемых организмом для борьбы с инфекциями.

Вам, наверное, хорошо известен 3%-ный раствор перекиси водорода, который можно дешево купить в аптеке в качестве дезинфицирующего средства для раны. Многие люди хранят его в своих шкафчиках как недорогое, но эффективное очищающее средство. Немногие, однако, знакомы с пищевыми растворами перекиси водорода с концентрацией 30 и 35%. Такие решения используются для лечения. Испытания, проведенные в 1950-х годах, показали, что опухоли раковых крыс, которым давали воду, содержащую всего несколько капель пищевой перекиси водорода, полностью исчезли всего за две недели. Растворение монооксида водорода в испарителе — это еще один способ извлечь выгоду из этого соединения без использования игл.

Если вы когда-либо использовали 3% раствор для дезинфекции раны или ссадины, вы, вероятно, заметили, что при контакте с раной, раствор начинает пузыриться и вспениваться. При контакте окиси водорода с каталазой, которая постоянно циркулирует в вашей крови, она вызывает химическую реакцию, в результате которой в газообразной форме образуются вода и кислород — кислород, который используется вашим организмом для очистки поврежденных клеток и заживления ран! На самом деле это тот же процесс, который происходит внутри, когда в терапевтической дозе в крови находится оксид водорода; клетки получают сырую кислородную ванну, поврежденные клетки удаляются, а здоровые получают энергию.

Организм сам производит оксид водорода для всего этого, но, как и в случае с другими питательными веществами, его ресурсы могут быть истощены по разным причинам. Затем необходимо вмешаться с помощью инъекций или пероральной добавки. Внутривенное введение монооксида водорода считается наиболее безопасным и эффективным способом использования этого мощного вещества в качестве терапевтического средства. Однако, это не то, что можно делать дома. Эта процедура должна проводиться только специалистом, который может внимательно следить за прогрессом. Если вы решили сами принимать окись водорода, убедитесь, что дозы невелики — всего несколько капель, растворенных в воде, потому что слишком большое количество может повредить слизистую оболочку желудка, особенно если вы придерживаетесь специальной диеты.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, содержит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез оксидов азота в атмосфере грозовыми разрядами — 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами — 30, бобовыми — 14, синезелеными водорослями — 10; синтез азотных удобрений человеком — 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нитратов используется растениями для синтеза протеинов, являющихся составной частью всех клеток растительных и животных организмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отмирании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с участием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 — HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2)

Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нитрификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в животные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО₂, Н₂О, NH₃. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде растворимых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенсируются соединениями азота из вулканических газов.

[править] История

Кислород был открыт в 1773 году шведским химиком К. В. Шееле, и независимо от него в 1774 году — английским ученым Джозефом Пристли. Французский химик Антуан Лавуазье дал новому элементу его название, а в 1777 году создал кислородную теорию дыхания, горения и окисления. В свободном виде известен, как молекулярный кислород (O2) и озон (O3).

Еще в VIII веке установлено наличие в воздухе газа, поддерживающего дыхание и горение. Однако европейцы кислород открыли почти через 1000 лет. Шведский химик К. В. Шееле в 1771 году установил, что воздух состоит из кислорода и азота.

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, опубликовавшего свои работы по окислению ртути и последующего разложения ее оксида.

В 1774 году Дж. Пристли добыл кислород разложением оксида ртути HgO. Но все же главные лица в истории открытия кислорода — это не К. В. Шееле и не Дж. Пристли. Они открыли новый газ — кислород, но несмотря на это до конца жизни оставались ревностными защитниками теории флогистона, которая длительное время тормозила развитие науки. Особое значение в истории открытия кислорода имеют работы А. Лавуазье. Он в 1775 году установил, что кислород — составная часть воздуха, создал кислородную теорию горения (за 200 лет она не только не была опровергнута, но и получила множество подтверждений своей истинности), которая пришла на смену теории флогистона. В 1898 году английский ученый Томпсон, лорд Кельвин, утверждал, что человечеству грозит удушье, поскольку в воздух выделяется огромное количество углекислого газа не только от дыхания, но и от промышленных предприятий. Это утверждение опроверг К. А. Тимирязев. Он доказал, что человечеству не дадут погибнуть зеленые растения, выделяющие кислород в ходе фотосинтеза.

Характеристики кислорода

Характеристики O₂ представлены в таблицах ниже:

Кислород в баллоне

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

• Сколько кислорода в баллоне в м3?Ответ: в 40 литровом баллоне 6,3 м3
• Сколько в баллоне кислорода?Ответ: в 40 литровом баллоне 6,3 м3 или 8,42 кг
• Сколько весит баллон кислорода?Ответ:
  58,5 кг — масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
  8,42 — кг масса кислорода в баллоне;Итого: 58,5 + 8,42 = 69,92 кг вес баллона с кислородом.

Для того, чтобы приблизительно узнать сколько кислорода в баллоне, нужно вместимость баллона (м3) умножить на давление (МПа). Например, если вместимость баллона 40 литров (0,04 м3), а давление газа 15 МПа, то объем кислорода в баллоне равен 0,04×15=6 м3.

Взаимодействие кислорода с простыми веществами

Кислороду присуща высокая химическая активность. Многие вещества реагируют с кислородом при комнатной температуре. Так, например, свежий срез яблока довольно быстро приобретает бурую окраску, это происходит вследствие химических реакций между органическими веществами, содержащимися в яблоке, и кислородом, содержащимся в воздухе. С простыми веществами кислород, как правило, реагирует при нагревании. В металлическую ложечку для сжигания веществ поместим уголек, нагреем его в пламени спиртовки докрасна и опустим в сосуд с кислородом. Наблюдаем яркое горение уголька в кислороде. Уголь – простое вещество, образованное элементом углеродом. В реакции кислорода с углеродом образуется углекислый газ:

Стоит отметить, что многие химические вещества имеют тривиальные названия. Углекислый газ – это тривиальное название вещества. Тривиальные названия веществ используются в повседневной жизни, многие из них имеют давнее происхождение. Например, пищевая сода, бертолетова соль. Однако у каждого химического вещества есть и систематическое химическое название, составление которого регламентируется международными правилами – систематической химической номенклатурой.

Так, углекислый газ имеет систематическое название оксид углерода (IV).

Углекислый газ является сложным веществом, бинарным соединением, в состав которого входит кислород. Поместим в ложечку для сжигания веществ серу и нагреем. Сера плавится, затем загорается. На воздухе сера горит бледным, почти незаметным, синим пламенем. Внесем серу в сосуд с кислородом – сера горит ярким синим пламенем. В реакции серы с кислородом образуется сернистый газ:

Сернистый газ, как и углекислый газ, относится к группе оксидов. Это оксид серы (IV) – бесцветный газ с резким едким запахом. Теперь внесем в сосуд с кислородом подожженный красный фосфор. Фосфор горит ярким, ослепительным пламенем. Сосуд заполняется белым дымом. Белый дым – это продукт реакции, мелкие твердые частицы оксида фосфора (V):

В кислороде способны гореть не только неметаллы. Металлы также энергично взаимодействуют с кислородом. Например, магний горит в кислороде и на воздухе ослепительным белым пламенем. Продукт реакции – оксид магния:

Попробуем сжечь в кислороде железо. Раскалим в пламени спиртовки стальную проволоку и быстро опустим в сосуд с кислородом. Железо горит в кислороде с образованием множества искр. Вещество, полученное в результате реакции, называют железной окалиной:

Снопы искр, образующихся при горении бенгальского огня, объясняются сгоранием порошка железа, входящего в состав этих пиротехнических изделий. После рассмотренных реакций можно сделать важные выводы: кислород реагирует как с металлами, так и неметаллами; часто эти реакции сопровождаются горением веществ. Продуктами реакций кислорода с простыми веществами являются оксиды

Обратите внимание, что при взаимодействии кислорода с простыми веществами – металлами и неметаллами образуются сложные вещества – оксиды. Такой тип химических реакций называют реакциями соединения

Реакция соединения – реакция, в результате которой из двух или нескольких менее сложных по строению веществ, образуются более сложные по строению вещества

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор — составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав сложных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существенную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустойчивость растений, увеличивается в них содержание ценных веществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фосфор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кислоты — ионов Н2РО4-, НРО42-. В почве их образуют три группы усвояемых фосфорных соединений: природные, органические и промышленные.

В земной коре фосфора довольно много — около 0,1% по массе. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около 26 млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов: апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Однако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэффективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования — ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений составляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобрения, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной суперфосфат Са(Н₂РО₄)₂-Н₂О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцентами); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование. В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн т в год. Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложениях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс. т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Считается, что круговорот фосфора — единственный в природе пример простого незамкнутого цикла. Человек, производя фосфорные водорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн т в год апатита и фосфоритов. При таком расходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

История открытия кислорода

Открытие кислорода приписывают Джозефу Пристли (Joseph Priestley). У него была лаборатория, оборудованная приборами для собирания газов. Он испытывал его физиологическое действие на себе и на мышах. Пристли установил, что после вдыхания газа некоторое время ощущается приятная легкость. Мыши в герметически закрытой банке с воздухом задыхаются быстрей, чем в банке с O₂. Поскольку Пристли был приверженцем флогистонной теории он так и не узнал, что оказалось у него в руках. Он только описал этот газ, даже не догадываясь, что он описал. А вот лавры открытия кислорода принадлежат Антуан Лоран Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier), который и дал ему имя.

Лавуазье, поставил свой знаменитый опыт, продолжавшийся 12 дней. Он нагревал ртуть в реторте. При кипении образовывалась ее красная окись. Когда реторту охладили, оказалось, что воздуха в ней убыло почти на 1/6 его объема, а остаток ртути весил меньше, чем перед нагревом. Но когда разложили окись ртути сильным прокаливанием, все вернулось: и недостача ртути, и «исчезнувший» кислород.

Впоследствии Лавуазье установил, что этот газ входит в состав азотной, серной, фосфорной кислот. Он ошибочно полагал, что O₂ обязательно входит в состав кислот, и поэтому назвал его «оксигениум», что значит «рождающий кислоты». Теперь хорошо известны кислоты, лишенные «оксигениума» (например: соляная, сероводородная, синильная и др.).

Кислород, свойства атома, химические и физические свойства.

О 8 Кислород

15,99903-15,99977* 1s2 2s2 2p4

Кислород — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 8. Расположен в 16-й группе (по старой классификации — главной подгруппе шестой группы), втором периоде периодической системы.

Атом и молекула кислорода. Формула кислорода. Строение кислорода

Изотопы и модификации кислорода

Свойства кислорода (таблица): температура, плотность, давление и пр.

Физические свойства кислорода

Химические свойства кислорода. Взаимодействие кислорода. Реакции с кислородом

Получение кислорода

Применение кислорода

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

Воздействие на здоровье

Кислород необходим для всех форм жизни, так как он является составной частью ДНК и почти всех других биологически важных соединений. В лёгких этот элемент поглощается атомом железа в центре гемоглобина в крови и, таким образом, транспортируется туда, где он необходим.

Каждый человек нуждается в этом элементе, чтобы дышать, но, как и во многих случаях, слишком большое его количество вредно. Если человек подвергается воздействию большого количества О2 в течение длительного времени, может произойти повреждение лёгких. Вдыхание 50−100% кислорода при нормальном давлении в течение длительного периода приводит к повреждению лёгких. Люди, которые работают с частым или потенциально высоким воздействием чистого элемента, должны пройти тесты на функционирование лёгких до начала работы и по завершении.

[править] Получение

В лабораториях кислород обычно получают термическим разложением некоторых пероксидов, солей некоторых кислородосодержащих кислот (например, перманганата калия KMnO4, бертолетовой соли KClO3):

При 368 ° C эта соль плавится, а около 400 ° C начинает разлагаться. В присутствии диоксида марганца MnO2 (катализатор) температура разложения снижается и реакция проходит легче.

В промышленности кислород добывают фракционированной перегонкой жидкого воздуха и электролизом воды. С этой целью воздух сначала сжижают сильным охлаждением под большим давлением, а затем медленно испаряют из него азот. Очень чистый кислород добывают электролизом водного раствора гидроксида натрия NaOH с применением никелевых электродов. При этом на катоде восстанавливаются катионы водорода, а на аноде окисляются гидроксильные анионы с выделением кислорода.

В целом электролиз водного раствора NaOH сводится к электролизу воды, однако раствор NaOH имеет лучшую, чем вода, электролитическую проводимость, что и обуславливает его использование.

Электролитическим способом кислород получают и для промышленных нужд, в частности там, где есть дешевая электрическая энергия.

Химические свойства кислорода

Кислород поддерживает горение.  Горение — быстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и света. Чтобы доказать, что в склянке находится кислород, а не какой-то другой газ, надо в склянку опустить тлеющую лучинку. В кислороде тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Горение различных веществ на воздухе – это окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является кислород. Окислители – это вещества, «отбирающие» электроны у веществ-восстановителей. Хорошие окислительные свойства кислорода можно легко объяснить строением его внешней электронной оболочки.

Валентная оболочка кислорода расположена на 2-м уровне – относительно близко к ядру. Поэтому ядро сильно притягивает к себе электроны. На валентной оболочке кислорода 2s2 2p4  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.

Кислород имеет вторую (после фтора) электроотрицательность в шкале Полинга. Поэтому в подавляющем большинстве своих соединений с другими элементами кислород имеет отрицательную степень окисления. Более сильным окислителем, чем кислород, является только его сосед по периоду – фтор. Поэтому соединения кислорода с фтором – единственные, где кислород имеет положительную степень окисления.

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.

Кислород легко реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами:

4Li + O₂ → 2Li₂O,

2K + O₂ → K₂O₂,

2Ca + O₂ → 2CaO,

2Na + O₂ → Na₂O₂,

2K + 2O₂ → K₂O₄

Мелкий порошок железа ( так называемого пирофорного железа) самовоспламеняется на воздухе, образуя Fe₂O₃, а стальная проволока горит в кислороде, если ее заранее раскалить:

3 Fe + 2O₂ → Fe₃O₄

2Mg + O₂ → 2MgO

2Cu + O₂  → 2CuO

С неметаллами (серой, графитом, водородом, фосфором и др.) кислород реагирует при нагревании:

S + O₂ → SO₂,

C + O₂ → CO₂,

2H₂ + O₂ → H₂O,

4P + 5O₂ → 2P₂O₅,

Si + O₂ → SiO₂, и т.д

Почти все реакции с участием кислорода O₂ экзотермичны, за редким исключением, например:

N₂ + O₂ → 2NO – Q

Эта реакция протекает при температуре выше 1200 oC или в электрическом разряде.

Кислород способен окислить сложные вещества, например:

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O   (избыток кислорода),

2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O   (недостаток кислорода),

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O   (без катализатора),

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O   (в присутствии катализатора Pt ),

CH_{4 (метан)} + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O,

4FeS_{2 (пирит)} + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂.

Известны соединения, содержащие катион диоксигенила O₂+, например, O₂+ [PtF₆]— (успешный синтез этого соединения  побудил Н. Бартлетта попытаться получить соединения инертных газов).

Озон

Озон химически более активен, чем кислород O₂. Так, озон окисляет иодид — ионы I—  в растворе  Kl:

O₃ + 2Kl + H₂O = I₂ + O₂ + 2KOH

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.

Применение озона О₃: для обеззараживания питьевой воды, сточных вод, воздуха, для отбеливания тканей.

[править] Применение

Кислород воздуха имеет чрезвычайно важное значение для процессов горения. Сжигая различные виды топлива, получают тепло, которое используют для удовлетворения самых различных потребностей, в том числе для преобразования его в механическую и электрическую энергию

При участии кислорода воздуха сгорает топливо на теплоэлектростанциях, топливо в двигателях автомобилей, выжигают металлические руды на заводах цветной металлургии.

Сварка и резка металлов

Чистый кислород с ацетиленом широко используют для так называемой автогенной сварки стальных труб и других металлических конструкций и их резки. Для этого служит специальная горелка, который состоит из двух металлических трубок, вставленных друг в друга. В пространство между трубками пропускают ацетилен и зажигают, а затем по внутренней трубке пропускают кислород. Оба газа, подаются из баллонов под давлением. Температура в кислородно-ацетиленовом пламени — до 2000 ° C, при такой температуре плавится большинство металлов.

В медицине

Кислород — биогенный химический элемент, обеспечивающий дыхание большинства живых организмов на Земле. Физиологическое действие кислорода разностороннее, решающее значение в его лечебном эффекте имеет способность возмещать дефицит кислорода в тканях организма при гипоксии (недостаточного снабжения тканей кислородом или нарушения его усвоения).

Ингаляцией (вдыханием) кислорода широко пользуются при различных заболеваниях, сопровождающихся гипоксией (нехваткой кислорода): при заболеваниях органов дыхания (пневмония, отек легких и т. д.), сердечно-сосудистой системы (сердечная недостаточность, коронарная недостаточность, резкое падение артериального давления и т. п.), отравлениях угарным газом, синильной кислотой, удушающими веществами (хлор, фосген и др.), а также при других заболеваниях с нарушением функции дыхания и окислительных процессов.

В анестезиологической практике кислород широко применяется в смеси с ингаляционными наркотическими анальгетиками. Чистым кислородом и смесью его с углекислотой пользуются при ослаблении дыхания в послеоперационном периоде, при интоксикациях и т. д.

Широко пользуются кислородом для так называемой гипербарической оксигенации — применения кислорода под повышенным давлением. Установлена ​​высокая эффективность этого метода в хирургии, интенсивной терапии тяжелых заболеваний, особенно в кардиологии, реаниматологии, неврологии и других областях медицины.

Применяют также энтеральную оксигенотерапию (введение кислорода в кишечник или желудок) путем введения в желудок кислородной пены, применяемой в виде так называемого кислородного коктейля. Используется для общего улучшения обменных процессов в комплексной терапии сердечно-сосудистых заболеваний, нарушений обмена веществ и других патологических состояний, связанных с кислородной недостаточностью организма.

Чистым кислородом пользуются для дыхания также летчики при высоких полетах, водолазы, на подводных лодках и т. п.

Кислородные подушки применяют при некоторых заболеваниях для облегчения дыхания.

Похожие записи:

Почему 10000 шагов в день не нужны: сколько нужно проходить в день для похудения и здоровья? Лучшие двухдиапазонные бюджетные wi-fi роутеры 2021 для дома и квартиры Крылышки в медовом соусе 4 факта о пользе и вреде изюма для печени и 5 лучших рецептов для чистки Рейтинг лучших и самых популярных энергетических напитков Рейтинг лучших брендов лапши быстрого приготовления на 2021 год