Изотопы кислорода — frwiki.wiki

Вредность и опасность кислорода

За внешней безобидностью скрывается очень опасный газ, но об этом на нашем сайте опубликована статья про маслоопасность и взрывоопасность кислорода и мы не будем здесь дублировать информацию.

Заметки

Замечания

• Точность изотопного содержания и атомной массы ограничена вариациями. Приведенные диапазоны изменения обычно действительны для всего обычного земного материала.
• Значения, отмеченные знаком #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично, из систематических тенденций. Спины со слабыми аргументами присваивания указаны в скобках.
• Погрешности кратко указаны в скобках после соответствующего десятичного знака. Значения неопределенности обозначают одно стандартное отклонение, за исключением изотопного состава и стандартной атомной массы ИЮПАК, в которых используются расширенные неопределенности.

История изотопов кислорода

Первые попытки изотопного разделения 16 O и 18 O относятся к 1935 году, когда Гарольд Клейтон Ури попытался разделить различные изотопные формы воды с помощью вращающейся ленточной дистилляционной колонны .

Среди первых применений этих изотопов было изучение механизмов органической химии, в частности механизмов этерификации и гидролиза .

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 13

Кислород 13 ( 13 O) — изотоп кислорода, ядро ​​которого состоит из 8 протонов и 5 нейтронов. Это нестабильный изотоп со спином 3/2 — . Его атомный вес 13,0248 а.е.м. . Он распадается на азот-13 за счет захвата электронов с периодом полураспада 8,58 мс и энергией распада 17,765 МэВ . Он образуется при распаде фтора 14 .

Кислород 15

Кислород 15 ( 15 O) — изотоп кислорода с ядром, состоящим из 8 протонов и 7 нейтронов, и атомной массой 15,0030654 а.е.м. Его период полураспада составляет 122 секунды. Он часто используется в позитронно-эмиссионной томографии .

Кислород 16

Кислород 16 ( 16 O) — изотоп кислорода с ядром, состоящим из 8 протонов и 8 нейтронов . Это самый распространенный изотоп (99,8%), что означает, что на практике, когда мы говорим о кислороде, мы говорим об этом изотопе, в частности среди физиков, которые ссылаются на него систематически, так что химики имеют в виду смесь изотопов в естественных количествах. как кислород, который не привел к нескольким различным массовым масштабам в двух дисциплинах в то время (до 1959) , когда атомная единица массы была определена как 1 / 16 массы с «кислородом» атом.

Эта двойственность исчезла в 1959/1960 годах, когда IUPAC и IUPAP согласились принять в качестве единой атомной единицы массы , или дальтон, двенадцатую часть атомной массы углерода 12 ( 12 C).

Кислород 17

Кислород 17 ( 17 O) — изотоп кислорода с ядром, состоящим из 8 протонов и 9 нейтронов . Это дефицитный изотоп (0,0373% в морской воде, примерно вдвое больше, чем дейтерия ). Его спин 5/2 делает его единственным стабильным изотопом, который можно использовать в исследованиях ЯМР.

Кислород 18

Кислород 18 ( 18 O) — изотоп кислорода с ядром, состоящим из 8 протонов и 10 нейтронов . Это дефицитный изотоп (0,204%). Он используется в радиофармакологии в виде воды, обогащенной частицами H 2 18 O.для получения путем бомбардировки протонов — ионов водорода H -, ускоренных в циклотроне или в линейном ускорителе , фтор-18 , который, например, используется в форме фтордезоксиглюкозы ( 18 F) ( 18 F-FDG) в рамки позитронно-эмиссионной томографии .

В палеоклиматологии отмеченное отношение δ 18 O, соответствующее соотношению 18 O / 16 O, позволяет, зарегистрированное в ледяных кернах в Арктике или Антарктике , определять температуру осадков на протяжении веков.

Кислород в баллоне

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

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.

Коэффициент перевода объема и массы o2 при т=15°с и р=0,1 мпа

Коэффициенты перевода объема и массы o2 при т=0°с и р=0,1 мпа

Положение в периодической системе химических элементов

Кислород расположен в главной подгруппе VI группы  (или в 16 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

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:

В металлургии его используют:

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.

Природный кислород

Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов 16 O , 17 O и 18 O , 16 O является наиболее распространенным . Большое относительное и абсолютное содержание 16 O объясняется тем фактом, что он является основным продуктом звездной эволюции, а также первичным изотопом, то есть он может производиться звездами, которые изначально состояли только из водорода .

Большая часть 16 O синтезируется в конце процесса синтеза гелия в звездах; тройная альфа-реакция создает углерод 12 ( 12 C), который захватывает дополнительное ядро гелия 4 ( 4 He) с образованием 16 O.

При синтезе неона также образуется 16 O. 17 О и 18 О являются вторичными изотопами, то есть для их нуклеосинтеза требуется «зародышевое ядро». 17 O в основном производится путем синтеза водорода в гелий во время цикла CNO , что делает его обычным изотопом в областях звезды, сжигающей водород.

18 O в основном образуется, когда 14 N (в большом количестве во время цикла CNO) захватывает ядро 4 He (другими словами, альфа-частицу ), делая 18 O обычным изотопом в богатых гелием областях звезды.

Молекулы воды , содержащие более легкие изотопы, более вероятно, испаряются и падают назад , как осаждение , так что ледниковая вода и полярный лед слегка содержат меньше (0.1981%) изотоп тяжелого 18 O , чем воздух (0,204%) или морскую воду (0,1995%). Это несоответствие позволяет анализировать старые температуры посредством изучения ледяных кернов.

Радиоизотопы

Было охарактеризовано 14 радиоизотопов , наиболее стабильным из которых был 15 O с периодом полураспада 122,24 с и 14 O с периодом полураспада 70,606 с. Все остальные изотопы имеют период полураспада менее 27 с, а у большинства из них менее 83  миллисекунд (мс).

Изотопы, которые легче , чем изотопов стабильных распадаться в основном β распад в изотопы азота , более тяжелые из них в основном бета — распад в изотопы фтора .

Изотопы с массовым числом больше 24 ( 25 O, 26 O, 27 O и 28 O) выходят за пределы нейтронной стабильности и поэтому особенно нестабильны, распадаясь с испусканием нейтронов на изотоп с меньшим количеством нейтронов, с половиной срок службы несколько десятков наносекунд.

В апрель 2022объявляется, команда из Университета штата Вашингтон ( США ), открытие самого легкого изотопа кислорода, ( 11 O).

Рекомендации

Для стола

• Масса изотопов из:
  • (ru) Г. Ауди, А. Х. Вапстра, К. Тибо, Дж. Блахот и О. Берсиллон, «  Оценка ядерных свойств и свойств распада с помощью NUBASE  » , Nuclear Physics A , vol.  729, г.2003 г., стр.  3–128 ( DOI  10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001 , Bibcode  2003NuPhA.729 …. 3A , читать онлайн [ архив23 сентября 2008 г.] )
• Изотопные составы и стандартные атомные массы:
  • (en) Дж. Р. де Лаэтер, Дж. К. Бёльке, П. Де Бьевр, Х. Хидака, Х. С. Пайзер, К. Дж. Р. Росман и П. Д. П. Тейлор, «  Атомные веса элементов. Обзор 2000 (технический отчет ИЮПАК)  » , Чистая и прикладная химия , т.  75, п ^о  6,2003 г., стр.  683–800 ( DOI  10.1351 / pac200375060683 , читать онлайн )
  • (ru) М.Э. Визер, «  Атомные веса элементов 2005 (Технический отчет ИЮПАК)  » , Чистая и прикладная химия , т.  78, п ^о  11,2006 г., стр.  2051–2066 ( DOI  10.1351 / pac200678112051 , резюме , читать онлайн )
• Период полураспада, спин и данные по избранным изомерам из следующих источников:
  • (ru) Г. Ауди, А. Х. Вапстра, К. Тибо, Дж. Блахот и О. Берсиллон, «  Оценка ядерных свойств и свойств распада с помощью NUBASE  » , Nuclear Physics A , vol.  729, г.2003 г., стр.  3–128 ( DOI  10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001 , Bibcode  2003NuPhA.729 …. 3A , читать онлайн [ архив23 сентября 2008 г.] )
  • (ru) Национальный центр ядерных данных , «  База данных NuDat 2.1  » , Брукхейвенская национальная лаборатория (консультации в сентябре 2005 г. )
  • (ru) Н. Е. Холден и Д. Р. Лид ( ред. ), Справочник CRC по химии и физике , CRC Press ,2004 г., 85- ^е  изд. , 2712  с. ( ISBN  978-0-8493-0485-9 , читать онлайн ) , «Таблица изотопов» , раздел 11

Для текстовой части

Соединения кислорода

Основные степени окисления кислород 2, 1, 0, -1 и -2.

Соединения кислорода:

Способы получения кислорода

В основном кислород получают тремя способами:

Из атмосферного воздуха его получают методом глубокого охлаждения, как побочный продукт при получении азота.

Также O2 добывают путем пропускания электрического тока через воду (электролиз воды) с попутным получением водорода.

Химические способ получения малопроизводителен, а, следовательно, и неэкономичен, он не нашел широкого применения и используются в лабораторной практике.

Наверно многие помнят химический опыт, когда в колбе нагревают марганцовку (перманганат калия KMnO4), а потом выделяющийся в процессе нагрева газ собирают в другую колбу?

2KMnO4 = K2MnO4 MnO2 O2 ↑

Таблица изотопов

Ученые открыли «легчайший кислород» — «ядерное зеркало» лития-11. как это? —

Физические свойства и нахождение в природе

Кислород О2 — газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. Плохо растворим в воде. Жидкий кислород – голубоватая жидкость, кипящая при -183оС.

Озон О3 — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода.

Кислород — это самый распространённый в земной коре элемент. Кислород входит в состав многих минералов — силикатов, карбонатов и др. Массовая доля элемента кислорода в земной коре —  около 47 %. Массовая доля элемента кислорода в морской и пресной воде составляет 85,82 %. 

В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе.

Характеристики кислорода

Характеристики O2 представлены в таблицах ниже:

Химические свойства

При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.

1. Кислород проявляет свойства окислителя(с большинством химических элементов) и свойства восстановителя(только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами, и с неметаллами. Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.

1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:

O2   2F2  →  2OF2

С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.

1.2. Кислород реагирует с серой и кремниемс образованием оксидов:

S O2 → SO2

  Si O2 → SiO2

1.3.Фосфоргорит в кислороде с образованием оксидов:

При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):

4P      3O2  →   2P2O3

Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):

4P      5O2  →   2P2O5

1.4.С азотомкислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000оС), образуя оксид азота (II):

    N2  O2→  2NO

1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием  и алюминием кислород  также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:

2Ca       O2 → 2CaO

Однако при горении натрияв кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

    2Na O2→  Na2O2

А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:

    K O2→  KO2

Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

2Zn O2→  2ZnO

Железо, в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:

2Fe O2→  2FeO

4Fe 3O2→  2Fe2O3

3Fe 2O2→  Fe3O4

1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит, образуя оксид углерода (IV):

C     O2  →  CO2

 при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C     O2  →  2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды. При этом образуются оксиды:

4FeS 7O2→  2Fe2O3 4SO2

Al4C3 6O2→  2Al2O3 3CO2

Ca3P2 4O2→  3CaO P2O5

2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

• летучие водородные соединения (сероводород, аммиак, метан, силан гидриды. При этом также образуются оксиды: 

2H2S 3O2→  2H2O 2SO2

Аммиакгорит с образованием простого вещества, азота:

4NH3 3O2→  2N2 6H2O

Аммиакокисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):

4NH3 5O2→  4NO 6H2O

• прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора (сероуглерод, сульфид фосфора и др.):

CS2 3O2→  CO2 2SO2

• некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления (оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):

2CO O2→  2CO2

2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.

Например, кислород окисляет гидроксид железа (II):

4Fe(OH)2 O2 2H2O → 4Fe(OH)3

Кислород окисляет азотистую кислоту:

2HNO2 O2 → 2HNO3

2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:

CH4 2O2→  CO2 2H2O

2CH4 3O2→  2CO 4H2O

CH4 O2→  C  2H2O

Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)

2CH2=CH2 O2 → 2CH3-CH=O

Хранение и транспортировка кислорода

Кислород газообразный технический и медицинский выпускают по ГОСТ 5583.

Хранят и транспортируют его в стальных баллонах ГОСТ 949 под давлением 15 МПа. Кислородные баллоны окрашены в синий цвет с надписью черными буквами «КИСЛОРОД».

Жидкий кислород выпускается по ГОСТ 6331. O2 находится в жидком состоянии только при получении, хранении и транспортировке. Для газовой сварки или газовой резки его необходимо снова превратить в газообразное состояние.

Электронное строение кислорода

Электронная конфигурация  кислорода в основном состоянии:

😯 1s²2s²2p⁴     1s   2s   2s  2p 

Атом кислорода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 2 неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии.