Оксиген

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Кисень (O)
Атомний номер 8
Зовнішній вигляд
простої речовини
газ без кольору і запаху
блакитна рідина
(при низьких температурах)
Властивості атома
Атомна маса
(молярна маса)
15,9994 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 60 пм
Енергія іонізації
(перший електрон)
1313,1(13,61) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [He] 2s2 2p4
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 73 пм
Радіус іона 132 (-2e) пм
Електронегативність
(за Полінгом)
3,44
Електродний потенціал 0
Ступені окиснення
Термодинамічні властивості
Густина (при -183 °C)1,149 г/см³
Питома теплоємність 0,916 (O-O) Дж/(K моль)
Теплопровідність 0,027 Вт/(м К)
Температура плавлення 54,8 K
Теплота плавлення n/a кДж/моль
Температура кипіння 90,19 K
Теплота випаровування n/a кДж/моль
Молярний об'єм 14,0 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки кубічна
Період ґратки 6,830 Å
Відношення c/a n/a
Температура Дебая n/a K
Періодична система елементів
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Оксиге́н (О) — хімічний елемент головної підгрупи 6 групи періодичної системи групи з атомним номером 8, простими речовинами якого є гази кисень та озон.

Загальний опис[ред.ред. код]

Оксиген — «той, що породжує кислоту» (грец.)[1]. 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-блакитну рідину, при 54,36 К твердне.

Густина рідкого кисню — 1,144; температура плавлення становить −218 °C, температура кипіння становить −183 °C.

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, осаджучи 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 дезінфекції приміщень. Рідкий кисень використовують як окисник для деяких різновидів ракетних палив.

Історія[ред.ред. код]

Відкрили кисень в 1773 шведський хімік К. В. Шеєле і незалежно від нього в 1774 — англійський вчений Джозеф Прістлі. Французький хімік Антуан Лавуазьє дав елементу назву і до 1777 року створив кисневу теорію дихання, горіння і окиснення. У вільному вигляді відомий, як молекулярний кисень (O2) та озон (O3).

VIII ст. — китайський учений Мао — встановив наявність у повітрі газу, який підтримує дихання і горіння. Однак європейці кисень відкрили майже через 1000 років . Видатний шведський хімік К. В. Шеєле у 1771 р. встановив, що повітря складається з кисню й азоту.

Важливим етапом, що сприяв відкриттю кисню, були роботи французького хіміка П'єра Байєна, який опублікував роботи по окисленню ртуті і подальшого розкладання її оксиду.

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 (1775 р.) встановив, що кисень — 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.

Поширення в природі[ред.ред. код]

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.% Оксигену, 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 недостаньому постачанні організму тварин і людини киснем розвивається гіпоксія. Зелені рослини і деякі бактерії є джерелом вільного кисню на Землі.

У Всесвіті Оксиген третій за поширеністю хімічний елемент після Гідрогену й Гелію.

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Рідкий кисень

Кисень — безбарвний газ без запаху і смаку. При температурі —183° С він скрапляється 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 см³ в 100 г води. У продаж кисень поступає в сталевих балонах під тиском приблизно 150 атм.

Твердий кисень (температура плавлення -218,79 °C) існує у вигляді синіх кристалів. Відомі шість кристалічних фаз, з яких три існують при тиску в 1 атм.:

  1. α2 — існує при температурі нижче 23,65 K; яскраво-сині кристали відносяться до моноклінної сингонії, параметри комірки a = 5,403 Å, b = 3,429 Å, c = 5,086 Å; β = 132,53 ° [2].
  2. β2 - існує в інтервалі температур від 23,65 до 43,65 К; блідо-сині кристали (при підвищенні тиску колір переходить в рожевий) мають ромбоедричну гратку, параметри комірки a = 4,21 Å, α = 46,25 ° [2].
  3. γ2 - існує при температурах від 43,65 до 54,21 К; блідо-сині кристали мають кубічну симетрію , з періодоми решітки a = 6,83 Å [2].

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Окиснення натрію з типовим забарвленням полум'я

Оксиген належить до головної підгрупи шостої групи періодичної системи елементів. Його порядковий номер 8.

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

Існує також високоенергетична синглетна форма молекули кисню. Вона дуже хімічно активна, і швидко реагує з органічними сполуками. Синглетний кисень утворюється в процесі фотосинтезу, та імунною системою. Він також виникає у тропосфері внаслідок фотолізу озону.

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

O + 2e = O2-

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

~\mathrm{4Na+O_2 \ \xrightarrow \ 2Na_2O}.

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 Оксиген утворює оксиди сполук, з лужними металами, крім літію, — пероксиди. Взаємодія речовин з Оксиген 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. Він легко окиснює органічні сполуки.

~\mathrm{CH_3CH_2OH+3O_2 \ \xrightarrow \ 2CO_2+3H_2O}.

Отримання[ред.ред. код]

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

2KClO3 = 2KCl + 3O2

При 368 °C ця сіль плавиться, а близько 400 °C починає розкладатися. У 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(-)| Na+, H2O | 2H2O + 2e- = Н2↑ + 2OH- |x2
Анод(+) | OH-, H2O | 4ОН- — 4e- = O2↑ + 2H2O |x1
4H2O + 4ОН- = 2Н2↑ + 4OH- + O2↑ + 2H2O
2H2O = 2Н2↑ + O2

В цілому електроліз водного розчину NaOH зводиться до електролізу води, проте розчин NaOH має кращу, ніж вода, електролітичну провідність, що й зумовлює його використання.

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

Застосування[ред.ред. код]

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. За участі кисню повітря згоряє паливо на теплоелектростанціях, пальне у двигунах автомобілів, випалюють металічні руди на заводах кольорової металургії.

Зварювання та різання металів[ред.ред. код]

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. У 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 °C, при такій температурі плавиться більшість металів.

У медицині[ред.ред. код]

Кисень — найважливіший біогенний хімічний елемент, що забезпечує дихання більшості живих організмів на Землі. Фізіологічна дія кисню різнобічна, але вирішальне значення в його лікувальному ефекті має здатність відшкодовувати дефіцит кисню в тканинах організму при гіпоксії (недостатнього постачання тканин киснем або порушення його засвоєння).

Інгаляціями (вдиханням) кисню широко користуються при різних захворюваннях, що супроводжуються гіпоксією (нестачею кисню): при захворюваннях органів дихання (пневмонія, набряк легень тощо), серцево-судинної системи (серцева недостатність, коронарна недостатність, різке падіння артеріального тиску тощо), отруєннях чадним газом, синильною кислотою, задушливими речовинами (хлор, фосген та ін.), а також при інших захворюваннях з порушенням функції дихання і окисних процесів.

У анестезіологічній практиці кисень широко застосовується в суміші з інгаляційними наркотичними анальгетиками. Чистим киснем і сумішшю його з вуглекислотою користуються при ослабленні дихання в післяопераційному періоді, при інтоксикаціях тощо.

Широко користуються киснем для так званої гіпербаричної оксигенації — застосування кисню під підвищеним тиском. Встановлено високу ефективність цього методу в хірургії, інтенсивній терапії важких захворювань, особливо в кардіології, реаніматології, неврології та інших областях медицини.

Застосовують також ентеральну оксигенотерапію (введення кисню в кишечник або шлунок) шляхом введення в шлунок кисневої піни, що застосовується у вигляді так званого кисневого коктейлю. Використовується для загального поліпшення обмінних процесів у комплексній терапії серцево-судинних захворювань, порушень обміну речовин та інших патологічних станів, пов'язаних з кисневою недостатністю організму.


Чистим киснем користуються для дихання також льотчики при високих польотах, водолази, на підводних човнах тощо.

Кисневі подушки застосовують при деяких захворюваннях для полегшення дихання.

У металургії[ред.ред. код]

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. 1871 року Генрі Бессемер взяв патент на вдування у піч повітряного дуття, збагаченого киснем.

Збагачення дуття киснем дозволяє інтенсифікувати доменний процес. У повітрі міститься приблизно 21% кисню. Отримане з атмосфери дуття також міститиме 21% кисню. Однак, дуття можна збагатити, додавши до нього кисень перед вдуванням у піч. Чим більше кисню міститиме дуття, тим більше палива можна спалити у одиницю часу, тобто ве́сти доменний процес більш прискорено. 1% додаткового кисню у дутті дає збільшення виробництва приблизно на 3%.

Ідея про доцільність збагачення дуття киснем була висловлена ще у XIX столітті. Однак, широке використання збагаченого киснем повітря у доменному виробництві і у металургії взагалі затрималося на довгий час. Це було зумовлено високою вартістю кисню, а також порушеннями у технологічному процесі, що виникали при виплавці переробних чавунів.

Після багатьох промислових дослідів була відпрацьована теорія і технологія доменної плавки з використанням збагаченого киснем дуття.

У сільському господарстві[ред.ред. код]

У тепличному господарстві, для виготовлення кисневих коктейлів, для збільшення маси тварин, для збагачення киснем водного середовища в рибництві.

Ракетне паливо[ред.ред. код]

У якості окисника для ракетного палива застосовується рідкий кисень, пероксид водню, азотна кислота та інші багаті киснем сполуки. Суміш рідкого кисню і рідкого озону - один з найпотужніших окисників ракетного палива (питомий імпульс суміші водень-озон перевищує питомий імпульс для пари водень-фтор та водень-фторид кисню).

Вибухові речовини[ред.ред. код]

Для виготовлення вибухових сумішей — так званих оксиліквітів використовують рідкий кисень. 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.

Біологічна роль кисню[ред.ред. код]

Більшість живих істот (аероби) дихають киснем повітря. Широко використовується кисень в медицині. При серцево-судинних захворюваннях, для поліпшення обмінних процесів, у шлунок вводять кисневу піну (кисневий коктейль). Підшкірне введення кисню використовують при трофічних виразках, слоновості, гангрени та інших серйозних захворюваннях. Для знезараження та дезодорації повітря та очищення питної води застосовують штучне збагачення озоном. Радіоактивний ізотоп Оксигену 15O застосовується для досліджень швидкості кровотоку, легеневої вентиляції.

Токсичні похідні кисню[ред.ред. код]

Деякі похідні кисню (т. зв. реактивні форми кисню), такі як синглетний кисень, перекис водню, супероксид, озон і гідроксильний замісник, є високотоксичними продуктами. Вони утворюються в процесі активування або часткового відновлення кисню. Супероксид (супероксидний замісник), перекис водню і гідроксильний замісник можуть утворюватися в клітинах і тканинах організму людини і тварин і викликають оксидативний стрес.

Ізотопи[ред.ред. код]

Докладніше: Ізотопи кисню

Оксиген має три стійкі ізотопи: 16О, 17О и 18О, середній вміст яких становить відповідно 99,759%, 0,037% і 0,204% від загального числа атомів Оксигену на Землі. Різке переважання в суміші ізотопів найлегшого з них 16О пов'язано з тим, що ядро атома 16О складається з 8 протонів і 8 нейтронів (двічі магічне ядро із заповненими нейтронною і протонною оболонками). А такі ядра, як випливає з теорії будови атомного ядра, особливо стійкі.

Також відомі радіоактивні ізотопи Оксигену: від 12О до 24О. Усі радіоактивні ізотопи Оксигену мають малий період напіврозпаду, а 12O розпадається за 5,8×10−22 секунди.

Цікаві факти про кисень[ред.ред. код]

  • Кисень повітря, від якого залежить життя людини, вперше з'явився в атмосфері Землі завдяки діяльності фотосинтезуючих бактерій.
  • Кисень — один з найбільш хімічно активних елементів. Ось чому в земній корі кисень зазвичай перебуває у зв'язному вигляді у складі інших хімічних сполук.
  • При температурі −182,926 °C кисень конденсується на блідо-блакитну 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. До того вода вважалася простою речовиною.
  • 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.
  • Вчені NASA знайшли в екзосфері — верхньому шарі атмосфери — супутника Сатурна Діони кисень. Дане відкриття, за словами дослідників, підтверджує теорію про те, що в атмосфері більшості супутників газових гігантів Юпітера і Сатурна міститься кисень. Водночас, професор Лондонського університету Ендрю Коатс заявив, що на Діоні не виявлено ознак наявності води, а отже, вона непридатна для життя. Проте, зауважив учений, на інших супутниках вдалося виявити наявність льоду і води, а це означає, що там можуть бути виявлені форми життя[3].

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Туріщива Л.В. Хімія. 8-9 класи:Наочний довідник.— К., Х.:Веста, 2007.—110с.
  2. а б в Inorganic Crystal Structure Database
  3. Дослідники NASA знайшли в космосі кисень

Джерела[ред.ред. код]

  • Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк:"Вебер", 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Ф. А. Деркач «Хімія» Л. 1968
  • Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
  • Михалічко Б.М. Курс загальної хімії. Теоретичні основи:Навчальний посібник. — К.: Знання, 2009. — 548 с. ISBN 978-966-346-712-2
  • Кириченко В.І. Загальна хімія:Навч.посібник . — К.: Вища школа, 2005. — 639 с.-(Іл.) ISBN 966-642-182-8