Кислород. Его свойства и применение

Ф. Энгельс об открытии К. Шееле и Д. Пристли писал: оба  «они не знали, чтоб оказалось у них  в руках... Элемент, которому суждено  было ниспровергнуть все флогистонные воззрения и революционизировать  химию, пропадал в их руках совершенно бесплодно». Далее Ф. Энгельс писал, что открытие кислорода принадлежит  Лавуазье, так как К. Шееле и  Д. Пристли даже не догадывались, что  они описывают.

Освобождение химии  от теории флогистона произошло в  результате введения в химию точных методов исследования, начало которым  было положено трудами М. В. Ломоносова. В 1745—1748 гг. М. В. Ломоносов экспериментально доказал, что горение — это  реакция соединения веществ с  частицами воздуха.

Десять лет (1771—1781) были потрачены французским химиком  Антуаном Лавуазье на подтверждение  справедливости теории горения как  химического взаимодействия различных  веществ с кислородом. Приступая  к изучению явлений горения и  «обжигания» металлов, он писал: «Я предполагаю повторить все сделанное  предшественниками, принимая всевозможные меры предосторожности, чтобы объединить уже известное о связанном  или освобождающемся воздухе  с другими фактами и дать новую  теорию. Работы упомянутых авторов, если их рассматривать с этой точки  зрения, дают мне отдельные звенья цепи... Но надо сделать очень многие опыты, чтобы получить полную последовательность». Соответствующие опыты, начатые  в октябре 1772 г., были поставлены А. Лавуазье строго количественно, с тщательным взвешиванием исходных и конечных продуктов  реакций. Он нагревал ртуть в запаянной  реторте и наблюдал уменьшение объема воздуха в ней, образование красных  чешуек «ртутной окалины». В другой реторте он разложил полученную в  предыдущем опыте «ртутную окалину», получил ртуть и небольшой  объем того газа, который Д. Пристли  назвал «дефлогистированным воздухом», и сделал вывод: сколько расходуется  воздуха на превращение ртути  в окалину, столько и выделяется его вновь при разложении окалины.

Остаток воздуха  в реторте, который не участвовал в реакции, стали называть азотом, что означало безжизненный (в переводе с греч. «а» — отрицание, «зое»  — жизнь). Газ, образовавшийся в результате разложения «ртутной окалины», проявлял противоположные азоту свойства — поддерживал дыхание и горение. Поэтому А. Лавуазье назвал его «жизненный». Позднее это название он заменил латинским словом «оксигенум», заимствованным из греческого языка, где слово «оксюс» означает кислый, а «геннао» — рождаю, произвожу (рождающий кислоту). На русский язык название элемента переведено буквально — «кислород».

Итак, в 1777 г. была выяснена сущность горения. И надобность во флогистоне—«огненной материи» — отпала. Кислородная  теория горения пришла на смену флогистонной.

IV. Биологическая  роль кислорода.

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 объему). Элемент кислород входит в состав более 1 500 соединений земной коры.

Кислород в атмосфере  Земли начал накапливаться в  результате деятельности первичных  фотосинтезирующих организмов, появившихся, вероятно, около 2,8 млрд. лет назад. Полагают, что 2 млрд. лет назад атмосфера  уже содержала около 1% кислорода; постепенно из восстановительной она  превращалась в окислительную и  примерно 400 млн. лет назад приобрела  современный состав. Наличие в  атмосфере кислорода в значительной степени определило характер биологической  эволюции. Аэробный (с участием О2) обмен  веществ возник позже анаэробного (без участия О2), но именно реакции  биологического окисления, более эффективные, чем древние энергетические процессы брожения и гликолиза, снабжают живые  организмы большей частью необходимой  им энергии. Исключение составляют облигатные анаэробы, например, некоторые паразиты, для которых кислород является ядом. Использование кислорода, обладающего  высоким окислительно-восстановительным  потенциалом, в качестве конечного  акцептора электронов в цепи дыхательных  ферментов, привело к возникновению  биохимического механизма дыхания  современного типа. Этот механизм и  обеспечивает энергией аэробные организмы.

Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции  клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества  низкомолекулярных соединений. В  каждом растении или животном кислорода  гораздо больше, чем любого другого  элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань — 28.5%; всего в  организме среднего человека (масса  тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В  организм животных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный кислород) и с  водой (связанный кислород). Потребность  организма в кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от массы и  поверхности тела, возраста, пола, характера  питания, внешних условий и др. В экологии как важную энергетическую характеристику определяют отношение  суммарного дыхания (то есть суммарных  окислительных процессов) сообщества организмов к его суммарной биомассе.

Небольшие количества кислорода используют в медицине: кислородом (из так называемых кислородных  подушек) дают некоторое время дышать больным, у которых затруднено дыхание. Нужно, однако, иметь в виду, что  длительное вдыхание воздуха, обогащенного кислородом, опасно для здоровья человека. Высокие концентрации кислорода  вызывают в тканях образование свободных  радикалов, нарушающих структуру и  функции биополимеров. Сходным действием  на организм обладают и ионизирующие излучения. Поэтому понижение содержания кислорода (гипоксия) в тканях и клетках при облучении организма ионизирующей радиацией обладает защитным действием — так называемый кислородный эффект. Этот эффект используют в лучевой терапии: повышая содержание кислорода в опухоли и понижая его содержание в окружающих тканях усиливают лучевое поражение опухолевых клеток и уменьшают повреждение здоровых. При некоторых заболеваниях применяют насыщение организма кислородом под повышенным давлением — гипербарическую оксигенацию.

V. Физические и  химические свойства кислорода.

Химический элемент  кислород образует два простых вещества - кислород  О2 и О3 различные по физическим свойствам.

Кислород О2— газ, не имеющий цвета и запаха. Молекула его О2. Она парамагнитна (притягивается  магнитом), так как в ней содержатся два неспаренных электрона. Строение молекулы кислорода можно представить  в виде следующих структурных  формул:

  О — О   или   О — О  

Атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул. Межатомное расстояние в молекуле О2 0,12074 нм. Молекулярный кислород (газообразный и жидкий) — парамагнитное вещество, в каждой молекуле О2 имеется по 2 неспаренных электрона. Этот факт можно  объяснить тем, что в молекуле на каждой из двух -разрыхляющих орбиталей  находится по одному неспаренному электрону.

Энергия диссоциации  молекулы О2 на атомы довольно высока и составляет 493,57 кДж/моль.

Молекула кислорода  О2 довольно инертна. Устойчивость молекулы кислорода и высокая энергия  активации большинства реакций  окисления обусловливают то, что  при низкой и комнатной температурах многие реакции с участием кислорода  протекают с едва заметной скоростью. Только при создании условий для  появления радикалов              — О — или R—О—О—, возбуждающих цепной процесс, окисление протекает  быстро. В этом случае применяют, например, катализаторы, которые способны ускорить окислительные процессы.

При нормальных условиях плотность газа кислорода 1,42897 кг/мЗ. Температура кипения жидкого  кислорода (жидкость имеет голубой  цвет) -182,9°С. При температурах от -218,7°С до -229,4°С существует твердый кислород с кубической решеткой (-модификация), при температурах от -229,4°С до -249,3°С — -модификация с гексагональной решеткой и при температурах ниже -249,3°С — кубическая -модификация. При  повышенном давлении и низких температурах получены и другие модификации твердого кислорода.

При 20°С растворимость  газа О2: 3,1 мл на 100 мл воды, 22 мл на 100 мл этанола, 23,1 мл на 100 мл ацетона. Существуют органические фторсодержащие жидкости (например, перфторбутилтетрагидрофуран), в которых растворимость кислорода  значительно более высокая.

Высокая прочность  химической связи между атомами  в молекуле О2приводит к тому, что  при комнатной температуре газообразный кислород химически довольно малоактивен. В природе он медленно вступает в  превращения при процессах гниения. Кроме того, кислород при комнатной  температуре способен реагировать  с гемоглобином крови, что обеспечивает перенос кислорода от органов  дыхания к другим органам.

Со многими веществами кислород вступает во взаимодействие без нагревания, например, с щелочными  и щелочноземельными металлами (образуются соответствующие оксиды типа Li2O, CaO и др., пероксиды типа Na2О2, BaO2 и  др. и супероксиды типа КО2, RbО2 и  др.), вызывает образование ржавчины на поверхности стальных изделий. Без  нагревания кислород реагирует с  белым фосфором, с некоторыми альдегидами  и другими органическими веществами.

При нагревании, даже небольшом, химическая активность кислорода  резко возрастает. При поджигании он реагирует со взрывом с водородом, метаном, другими горючими газами, с  большим числом простых и сложных  веществ.

Обычный атмосферный  кислород состоит из смеси трех изотопов: 16О(99,7%), 17О(0,01%), 18О(0,2%). Ввиду того что  содержание изотопов 17О и 18О в  кислороде небольшое по сравнению  с изотопом 16О, атомная масса кислорода  принята равной 15,9994 у. е.

В зависимости от природных условий изотопный  состав кислорода может изменяться, то обогащаясь тяжелыми изотопами, то обедняясь ими. Так, молекулы воды Н216О  переходят в парообразное состояние  относительно легче, чем молекулы Н217О  и Н218О. Поэтому в состав водяных  паров, испаряющихся из моря, входит кислород с относительно меньшим содержанием  тяжелых изотопов, чем кислород, остающийся в морской воде.

С помощью атомов тяжелого изотопа кислорода 18О удалось  выяснить «происхождение» кислорода, выделяемого растениями в процессе фотосинтеза. Раньше считали, что это  кислород, высвобожденный из молекул  оксида углерода, а не воды. В настоящее  время стало известно, что растения связывают кислород оксида углерода, а в атмосферу возвращают кислород из воды.

Кислород образует соединения со всеми элементами, кроме  некоторых благородных газов (гелия, неона, аргона). Так, с большинством металлов кислород реагирует уже  при комнатной температуре, например:

2Na° + О2°  =  Na2+102-2

Na°  -1(ё)      Na+1            2      восстановитель

O2°  +2(ё) 2  2O-2               окислитель

2Zn° + O2° = 2Zn+2O-2

  Zn°  -2(ё)      Zn+2             восстановитель

  O2°  +2(ё) 2  2O-2              окислитель

С неметаллами кислород реагирует, как правило, при нагревании. Так, с фосфором кислород активно  реагирует при температуре 60°С:

4Р° + 502° = 2Р2+505-2

  P°    -5(ё)      P+5               2    восстановитель

  O2°  +2(ё) 2  2O-2        5    окислитель              

с серой — при  температуре около 250°С:

S° + 02° = S+402-2

  S°    -4(ё)       S+4               восстановитель           

  O2° +2(ё) 2  2O-2            2    окислитель                   

с углеродом (в виде графита) — при 700—800°С:

С° + О2° = С+4О2-2

  C°    -4(ё)      C+4               восстановитель 

O2°  +2(ё) 2  2O-2        2    окислитель          

Взаимодействие кислорода  с азотом начинается лишь при 1200°С или  в электрическом разряде:

N2 + О2     2NO - Q.

Кислород реагирует  и со многими сложными соединениями, например, с оксидами азота он реагирует  уже при комнатной температуре:

2N+2O + О2° = 2N+4О2-2

  N+2   -2(ё)      N+4        1    восстановитель                 

  O2°   +2(ё) 2  2O-2      2    окислитель                              

Сероводород, реагируя с кислородом при нагревании, дает серу:

2H2S-2 + О2° = 2S° + 2Н2О-2

  S-2   -2(ё)       S°               восстановитель   

  O2° +2(ё) 2   2O-2            окислитель   

или оксид серы (IV)

2H2S + ЗО2 = 2SO2 + 2Н2О

в зависимости от соотношения между кислородом и  сероводородом.

В приведенных реакциях кислород является окислителем. В большинстве  реакций окисления с участием кислорода выделяется тепло и  свет — такие процессы называются горением.

Аллотропной модификацией кислорода является озон. Молекула его трехатомна — О3. Строение ее можно представить следующей  структурной формулой:

         О