КИСЛОРО́Д (лат. Oхygenium), O (читается «о»), химический элемент с атомным номером 8, атомная масса 15,9994. В периодической системе элементов Менделеева расположен во втором периоде в группе VIA.

Природный кислород состоит из смеси трех стабильных нуклидов с массовыми числами 16 (доминирует в смеси, его в ней 99,759 % по массе), 17 (0,037%) и 18 (0,204%). Радиус нейтрального атома кислорода 0,066 нм. Конфигурация внешнего электронного слоя нейтрального невозбужденного атома кислорода 2s2р4. Энергии последовательной ионизации атома кислорода 13,61819 и 35,118 эВ, сродство к электрону 1,467 эВ. Радиус иона О2-при разных координационных числах от 0,121 нм (координационное число 2) до 0,128 нм (координационное число 8). В соединениях проявляет степень окисления -2 (валентность II) и, реже, -1 (валентность I). По шкале Полинга электроотрицательность кислорода 3,5 (второе место среди неметаллов после фтора ).

В свободном виде кислород — газ без цвета, запаха и вкуса.

История открытия

История открытия кислорода, как и азота, связана с продолжавшимся несколько веков изучением атмосферного воздуха. О том, что воздух по своей природе не однороден, а включает части, одна из которых поддерживает горение и дыхание, а другая — нет, знали еще в 8 веке китайский алхимик Мао Хоа, а позднее в Европе — Леонардо да Винчи. В 1665 английский естествоиспытатель Р. Гук писал, что воздух состоит из газа, содержащегося в селитре, а также из неактивного газа, составляющего большую часть воздуха. О том, что воздух содержит элемент, поддерживающий жизнь, в 18 веке было известно многим химикам. Шведский аптекарь и химик Карл Шееле начал изучать состав воздуха в 1768. В течение трех лет он разлагал нагреванием селитры (KNO3, NaNO3) и другие вещества и получал «огненный воздух», поддерживающий дыхание и горение. Но результаты своих опытов Шееле обнародовал только в 1777 году в книге «Химический трактат о воздухе и огне». В 1774 английский священник и натуралист Дж. Пристли нагреванием «жженой ртути» (оксида ртути HgO) получил газ, поддерживающий горение. Будучи в Париже, Пристли, не знавший, что полученный им газ входит в состав воздуха, сообщил о своем открытии А. Лавуазье и другим ученым. К этому времени был открыт и азот. В 1775 Лавуазье пришел к выводу, что обычный воздух состоит из двух газов — газа, необходимого для дыхания и поддерживающего горение, и газа «противоположного характера» — азота. Лавуазье назвал поддерживающий горение газ oxygene — «образующий кислоты» (от греч. oxys — кислый и gennao — рождаю; отсюда и русское название «кислород»), так как он тогда считал, что все кислоты содержат кислород. Давно уже известно, что кислоты бывают как кислородсодержащими, так и бескислородными, но название, данное элементу Лавуазье, осталось неизменным. На протяжении почти полутора веков 1/16 часть массы атома кислорода служила единицей сравнения масс различных атомов между собой и использовалась при численной характеристике масс атомов различных элементов (так называемая кислородная шкала атомных масс).

Нахождение в природе

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 1500 соединений земной коры.

Получение

В настоящее время кислород в промышленности получают за счет разделения воздуха при низких температурах. Сначала воздух сжимают компрессором, при этом воздух разогревается. Сжатому газу дают охладиться до комнатной температуры, а затем обеспечивают его свободное расширение. При расширении температура газа резко понижается. Охлажденный воздух, температура которого на несколько десятков градусов ниже температуры окружающей среды, вновь подвергают сжатию до 10-15 МПа. Затем снова отбирают выделившуюся теплоту. Через несколько циклов «сжатие—расширение» температура падает ниже температуры кипения и кислорода, и азота. Образуется жидкий воздух, который затем подвергают перегонке (дистилляции). Температура кипения кислорода (–182,9°C) более чем на 10 градусов выше, чем температура кипения азота (–195,8°C). Поэтому из жидкости азот испаряется первым, а в остатке накапливается кислород. За счет медленной (фракционной) дистилляции удается получить чистый кислород, в котором содержание примеси азота составляет менее 0,1 объемного процента.

Еще более чистый кислород можно получить при электролизе водных растворов щелочей (NaOH или KOH) или солей кислородсодержащих кислот (обычно используют раствор сульфата натрия Na2SO4). В лаборатории небольшие количества не очень чистого кислорода можно получить при нагревании перманганата калия KMnO4:

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2.

Более чистый кислород получают разложением пероксида водорода Н2О2 в присутствии каталитических количеств твердого диоксида марганца MnO2:

2Н2О2 = 2Н2О + О2.

Кислород образуется при сильном (выше 600°C) прокаливании нитрата натрия NaNO3:

2NaNO3 =2NaNO2 + О2,

при нагревании некоторых высших оксидов:

4CrO3= 2Cr2O3 + 3О2;

2PbO2 = 2PbO + О2;

3MnO2 = Mn3O4 + О2.

Ранее кислород получали разложением бертолетовой соли KClO3 в присутствии каталитических количеств диоксида марганца MnO2:

2KClO3 = 2KCl + 3О2.

Однако бертолетова соль образует взрывчатые смеси, поэтому ее для получения кислорода в лабораториях теперь не используют. Разумеется, сейчас никому в голову не придет использовать для получения кислорода прокаливание оксида ртути HgO, так как образующийся в этой реакции кислород загрязнен ядовитыми парами ртути.

Источником кислорода в космических кораблях, подводных лодках и т. п. замкнутых помещениях служит смесь пероксида натрия Na2O2 и супероксида калия KO2. При взаимодействии этих соединений с углекислым газом освобождается кислород:

2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2,

4КО2 + 2СО2 = 2К2СО3 + 3О2.

Если использовать смесь Na2O2 и КО2, взятых в молярном отношении 1:1, то на каждый моль поглощенного из воздуха углекислого газа будет выделяться 1 моль кислорода, так что состав воздуха не будет изменяться за счет поглощения при дыхании кислорода и выделения СО2.

Особенности строения молекулы О 2

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.

Физические и химические свойства

При нормальных условиях плотность газа кислорода 1,42897 кг/м3. Температура кипения жидкого кислорода (жидкость имеет голубой цвет) –182,9°C. При температурах от –218,7°C до –229,4°C существует твердый кислород с кубической решеткой (a-модификация), при температурах от –229,4°C до –249,3°C — b-модификация с гексагональной решеткой и при температурах ниже –249,3°C — кубическая g-модификация. При повышенном давлении и низких температурах получены и другие модификации твердого кислорода.

При 20°C 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 (точнее с железом II гема ), 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 Na2O2, BaO2 и др. и супероксиды типа КО2, RbO2 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. Известно, что при нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе многие простые и сложные вещества сгорают, причем образуются различные оксиды, например:

S+O2 = SO2; С + O2 = СО2

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3; 2Cu + O2 = 2CuO

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O; 2H2S + 3O2 = 2H2O + 2SO2

Если смесь кислорода и водорода хранить в стеклянном сосуде при комнатной температуре, то экзотермическая реакция образования воды

2Н2 + О2= 2Н2О + 571 кДж

протекает крайне медленно; по расчету, первые капельки воды должны появиться в сосуде примерно через миллион лет. Но при внесении в сосуд со смесью этих газов платины или палладия (играющих роль катализатора), а также при поджигании реакция протекает со взрывом.

С азотом N2 кислород реагирует или при высокой температуре (около 1500-2000°C), или при пропускании через смесь азота и кислорода электрического разряда. При этих условиях обратимо образуется оксид азота (II):

N2 + O2 = 2NO

Возникший NO затем реагирует с кислородом с образованием бурого газа (диоксида азота):

2NO + О2 = 2NO2

Из неметаллов кислород напрямую ни при каких условиях не взаимодействует с галогенами, из металлов — с благородными металлами серебром, золотом, платиной и др.

Бинарные соединения кислорода, в которых степень окисления атомов кислорода равна –2, называют оксидами (прежнее название — окислы). Примеры оксидов: оксид углерода (IV) CO2,оксид серы (VI) SO3, оксид меди (I) Cu2O, оксид алюминия Al2O3, оксид марганца (VII) Mn2O7.

Кислород образует также соединения, в которых его степень окисления равна –1. Это — пероксиды (старое название — перекиси), например, пероксид водорода Н2О2, пероксид бария ВаО2, пероксид натрия Na2O2 и другие. В этих соединениях содержится пероксидная группировка — О — О —. С активными щелочными металлами, например, с калием, кислород может образовывать также супероксиды, например, КО2 (супероксид калия), RbO2 (супероксид рубидия). В супероксидах степень окисления кислорода –1/2. Можно отметить, что часто формулы супероксидов записывают как К2О4, Rb2O4 и т.д.

С самым активным неметаллом фтором кислород образует соединения в положительных степенях окисления. Так, в соединении O2F2 степень окисления кислорода +1, а в соединении O2F — +2. Эти соединения принадлежат не к оксидам, а к фторидам. Фториды кислорода можно синтезировать только косвенным путем, например, действуя фтором F2 на разбавленные водные растворы КОН.

Применение кислорода

Применение кислорода очень разнообразно. Основные количества получаемого из воздуха кислорода используются в металлургии. Кислородное (а не воздушное) дутье в домнах позволяет существенно повышать скорость доменного процесса, экономить кокс и получать чугун лучшего качества. Кислородное дутье применяют в кислородных конвертерах при переделе чугуна в сталь (см. ст. Железо). Чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом, используется при получении и многих других металлов (меди, никеля, свинца и др.). Кислород используют при резке и сварке металлов. При этом применяют «баллонный» кислород. В баллоне кислород может находиться под давлением до 15 МПа. Баллоны с кислородом окрашены в голубой цвет.

Жидкий кислород — мощный окислитель, его используют как компонент ракетного топлива. Пропитанные жидким кислородом такие легко окисляющиеся материалы, как древесные опилки, вата, угольный порошок и др. (эти смеси называют оксиликвитами ), используют как взрывчатые вещества, применяемые, например, при прокладке дорог в горах.

Биологическая роль кислорода

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.

Свойства газообразного и жидкого  кислорода 

Кислород бесцветный газ  без запаха  и вкуса. Температура кипения  жидкого кислорода  минус 183,00С, температура плавления минус 218,80С. Не оказывает вредного воздействия  на окружающую среду, не токсичен. Не горюч и не взрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, увеличивает способность материалов к горению. При взаимодействии  со смазочными  веществами – взрывается. Длительная  ингаляция газообразным кислородом  вызывает поражение органов дыхания  и легких. При попадании холодного кислорода на кожу и в глаза вызывает обморожение.

Получение кислорода

В промышленности кислород получают из воздуха разделением, главным образом методом низкотемпературной ректификации. Его производят также наряду с Н2 при промышленном электролизе воды. Выпускают газообразный технический кислород (92-98% О2), технический кислород (1-й сорт 99,7% О2, 2-й сорт 99,5% и 3-й сорт 99,2%) и жидкий (не менее 99,7% О2). Производится также кислород для лечебных целей («медицинский кислород», содержащий 99,5% O2). Для дыхания в замкнутых помещениях (подводные лодки, космические аппараты и др.) используют твердые источники кислорода, действие которых основано на самораспространяющейся экзотермической реакции между носителем кислорода (хлоратом или перхлоратом) и горючим. Например, смесь NaClO3 (80%), порошка Fe (10%), ВаО2 (4%) и стекловолокна (6%) прессуют в виде цилиндров; после поджигания такая кислородная свеча горит со скоростью 0,15-0,2 мм/с, выделяя чистый, пригодный для дыхания кислород в кол-ве 240 л/кг. В лаборатории кислород получают разложением при нагреапнии оксидов (напр., HgO) или кислородсодержащих солей (напр., КСlO3, КМnО4), а также электролизом водного р-ра NaOH. Однако чаще всего используют промышленный кислород, поставляемый в баллонах под давлением. 

Определение

Концентрацию кислорода в газах определяют с помощью ручных газоанализаторов, например, волюмометрическим методом по изменению известного объема анализируемой пробы после поглощения из нее О2 растворами: медноаммиачным, пирогаллола, NaHSO3 и др. Для непрерывного определения кислорода в газах применяются автоматические термомагнитные газоанализаторы, основанные на высокой магнитной восприимчивости кислорода. Для определения малых концентраций кислорода в инертных газах или водороде (менее 1%) используют автоматические термохимические, электрохимические, гальванические и др. газоанализаторы. С этой же целью применяют колориметрический метод (с использованием прибора Мугдана), основанный на окислении бесцветного аммиачного комплекса Cu(I) в яркоокрашенное соединения Cu(II). Кислород, растворенный в воде, определяют также колориметрически, например, по образованию красного окрашивания при окислении восстановленного индигокармина. В органических соединениях кислород определяют в виде СО или СО2 после высокотемпературного пиролиза анализируемого вещества в потоке инертного газа. Для определения концентрации кислорода в стали и сплавах используют электрохимические датчики с твердым электролитом (стабилизированный ZrO2). 

Применение кислорода

Кислород используют как окислитель: в металлургии - при выплавке чугуна и стали (в доменном, кислородно-конвертерном и мартеновском производствах), в процессах шахтной, взвешенной и конвертерной плавки цветных металлов; в прокатном производстве; при огневой зачистке металлов; в литейном производстве; при термитной сварке и резке металлов; в хим. и нефтехимической промышленности при производстве HNO3, H2SO4, метанола, ацетилена; формальдегида, оксидов, пероксидов и других веществ. Кислород используют в лечебных целях в медицине, а также в кислородно-дыхательных аппаратах (в космических кораблях, на подводных судах, при высотных полетах, подводных и спасательных работах). Жидкий кислород-окислитель для ракетных топлив; его используют также при взрывных работах, как хладагент в лабараторной практике. 

Кислород нетоксичен и негорюч, но поддерживает горение. В смеси с жидким кислородом взрывоопасны все углеводороды, в том числе масла, CS2.  Наиболее опасны малорастворимые горючие примеси, переходящие в жидком кислороде в твердое состояние (напр., ацетилен, пропилен, CS2). Предельно допустимое содержание в жидком кислороде: ацетилена 0,04 см3/л, CS2 0,04 см3/л, масла 0,4 мг/л. 

Меры безопасности

 Запрещено курить и пользоваться открытым огнем вблизи работы с кислородом. Посторонние лица не должны заходить в зоны с повышенной концентрацией кислорода в воздухе. После работы в помещении с повышенной концентрацией кислорода в воздухе необходимо хорошо проветрить одежду. Инструмент и одежда должны быть свободными от масла и жира. Ни один узел, применяемый с кислородом, не должен соприкасаться с маслом или жиром. При работе с жидким кислородом необходимо употреблять надлежащие перчатки, защитные очки, защитную обувь и защитные средства для тела. 

 Борьба с пожаром: так как кислород сильно способствует горению, быстрое закрывание клапана кислородного источника может уменьшить силу огня, если возможно, вывезти баллоны в безопасное место; для избежания взрывов защитить баллоны от нагрева.

Хранение и транспортировка

Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах малой (0,4-12 л) и средней (20-50 л) емкости при давлении 15 и 20 МПа, а также в баллонах большой емкости (80-1000 л при 32 и 40 МПа), жидкий кислород в сосудах Дьюара или в спец. цистернах. Для транспортировки жидкого и газообразного кислорода используют также спец. трубопроводы. Кислородные баллоны окрашены в голубой цвет и имеют надпись черными буквами «кислород». 

Жидкий кислород

Жидкий кислород представляет собой жидкость бледно-синего цвета и относится к сильным парамагнетикам. Кислород в жидком виде является одним из четырёх известных агрегатных состояний кислорода. Кислород жидкий технический и медицинский получают из атмосферного воздуха способом низкотемпературной ректификации. Жидкий кислород в настоящее время имеет такое же широкое применение, как и кислород газообразный. Это обусловлено тем, что использование жидкого кислорода является более выгодным и менее опасным процессом. Жидкий кислород активно используется в космической и газовой отраслях, при эксплуатации подводных лодок, широко используется в медицине. Обычно промышленное получение основывается на фракционной перегонке воздуха. Из-за своей криогенной природы жидкий кислород может вызвать хрупкость материалов, которые находятся с ним в соприкосновении. Жидкий кислород также является очень мощным окислительным агентом: органическое вещество быстро сгорает в его среде с большим выделением тепла. Более того, некоторые из этих веществ, будучи пропитанными жидким кислородом имеют свойство непредсказуемо взрываться. Нефтепродукты часто демонстрируют такое поведение, включая асфальт. Жидкий кислород является широко распространённым окислительным компонентом ракетных топлив обычно в комбинации с жидким водородом или керосином. Его использование обусловлено высоким удельным импульсом, который получается при применении этого окислителя в ракетных двигателях. 

Кислород технический и используемый в медицине: чем они отличаются?

При столь разнообразных областях применения и высоких объемах потребления, неудивительны объемы, в которых производят газообразный кислород и жидкий технический кислород. Ежегодное общее мировое производство О2 - более 80 миллионов тонн. В чем состоит различие идентичных с точки зрения химической формулы газов, используемых в промышленности и медицине? В зависимости от будущей сферы применения, к газу, который адсорбирует из воздуха или добывает иным путем установка получения кислорода, предъявляются различные требования по чистоте состава. Вещество, предполагаемое к использованию в медицине, должно отвечать более жестким требованиям, чем то, которое выпускается для нужд промышленности. 

Государственный стандарт, согласно которому выпускают технический кислород и медицинский кислород (ГОСТ 5583-78 (ИСО 2046-73)), не нормирует содержание окиси и двуокиси углерода, газообразных кислот и озона в первом из них, не требует отсутствия запаха. Напротив, газ, используемый в медицинских целях, должен выдерживать специальные испытания на наличие перечисленных компонентов, не иметь в составе никаких инородных примесей и не обладать никаким посторонним запахом. Ведь это - лекарственное средство, зарегистрированное в соответствующем реестре. В нем должно быть меньше водяных паров, особенно если баллоны с газом предназначены для авиации: всего 0,0007 %. 

Значение кислорода

Очищенный кислород медицинский используется для лечения многих заболеваний дыхательной системы, и просто для общего укрепления и оздоровления организма. Очень полезны кислородные коктейли, рекомендуемые практические всем возрастным категориям, как обладающие способностью помогать поддерживать в хорошей форме здоровье и самочувствие. Кислород рекомендуют беременным женщинам, во избежание гипоксии плода на всех сроках беременности, кислород медицинский газообразный и кислород медицинский жидкий регулярно поставляется в больницы и роддома. 

Благодаря лечебным свойствам кислорода активизируется обмен веществ в организме, улучшаются показатели крови, повышается работоспособность, уходят стресс и хроническая усталость. Некоторым больным назначают лечение, основным компонентов которого является лечение кислородом. После прохождения курса кислородотерапии для многих становится возможным избежать более серьезных медицинских вмешательств. Дыхание чистым кислородом помогает человеку стать более энергичным и активным. Однако такая терапия все же должна проводиться под врачебным контролем.